GENETIKA

Koordinator modula: prof.dr.sc.Marijana Barić

Zagreb, 2013.

• Što je znanost?Skup kontinuiranih misaonih procesa u kojima se rañaju nova znanja• ako se proučava prirodni svijet - prirodne znanosti

• GENETIKA – znanost o nasljeñivanju svojstavaproučava materijalne osnove nasljednosti (biokemijske, kromosomske,

fenotipske)

Grane genetike• Molekularna genetika -nasljeñivanje na biokemijskoj

(molekularnoj) razini, proučava: svojstva, strukturu i funkciju gena

• Citogenetika - nasljeñivanje na razini kromosoma, proučava: kromosome i stanične diobe njihovu važnost u životu organizama

• Klasična genetika - nasljeñivanje na razini fenotipa, preko fenotipa analizira prijenos gena iz generacije u generaciju i načine re-kombinacije gena te zakonitosti nasljeñivanja svojstva

Moderno društvo ovisi o genetici

Proučavanje utjecaja okolinskih tvari (radijacija, kemikalije, dim cigareta) i mnoge druge tvari koje mogu uzrokovati "slučajnu"promjenu gena

- kroz vrijeme promjene gena se akumuliraju u organizmima što predstavlja "genetsku vremensku bombu" za koju nije moguće predvidjeti kada će se “aktivirati” i koje posljedice će prouzročiti

Genetika je važna u mediciniDo danas golemi napredak: od početnih znanja o strukturi i funkciji gena pa sve do dešifriranja ljudskog genoma ( 30 000 gena)

- brojna su genetska otkrića na područjima medicine …

- nova saznanja o bolestima za koje su “odgovorni “ geni

- otkrića vezana uz “promjene” gena koje za rezultat imaju pojavu bolesti (AIDS, vrste karcinoma)

u liječenje se uvode“genske terapije”- zamjena “defektnog gena” novim funkcionalnim genom - uvoñenjem novih kopija gena u “bolesni “ organizam

- znanja iz genetike doprinose napretku u regeneraciji izgubljenog tkiva i organa (uzgojem i transplantacijom kože kod opeklina, saobraćajnih nesreća)

Važnost primijenjene genetike u poljoprivredi- brojna su genetska otkrića na području poljoprivrede dala rezultate:

stvoreni su novi hibridi i sorte mnogih vrsta poljoprivrednih kultura, pasmina životinja, sojeva kvasaca, gljiva, bakterija

- razvijene nove tehnologije u mnogim proizvodnjama:mlinarsko pekarska, škroba,

- proizvodnja pića (vino, pivo), mesa, mlijeka i sira- proizvodnja odjeće (lan, pamuk, vuna)- proizvodnja bio-dizela – (pogonsko gorivo)

Razvoj novih tehnologijaBiotehnologija -primjena genetičkog inženjerstva za poboljšanje svojstava, novih

biljnih i životinjskih vrsta“prirodne biotehnološke tvornice” odavano su: gljive, bakterije, kvasciGljive: proizvode antibiotik penicilin

Bakterije: proizvode antibiotike (streptomicin)inzulin (diabetes)hormon rasta (dworf)

Kvasci: koriste se u pekarskoj industriji, kod proizvodnje alkoholnih pića

Razvoj novih tehnologija:- genetika je osnova biotehnologije-biotehnologija - stvaranje organizma biljaka i životinja koji nisu nastali klasičnim načinom (križanjem roditelja i izborom iz potomstva)

Današnji primijenjeni rezultati biotehnologije: jagode otporne na smrzavanjerajčica koja dulje ostaje svježaribe koje brzo rastu

-Općenito korištenje novih tehnologija pa tako i biotehnologije može biti u korisne svrhe, ali i neke druge !!! (kao i atomska energija)Biotehnologija može biti pozitivno korištena za poboljšanje u poljoprivrednoj proizvodnji.Transgene biljke (biljke u koje su “uključeni” novi geni)prednosti koje se žele iskoristiti :

1. Unijeti poželjne gene koje klasičnim načinom nije moguće2. Povećati kvalitetu proizvoda (AK-sastav veći sadržaj proteina,

vitamina E, C, A, minerala, Fe)3. Skratiti vrijeme oplemenjivanja i selekcije (vremenski brže do

novih hibrida i sorti)4. Povećati sveukupnost i vrstu gena (“gen pool”) u nekoj vrsti

Zašto se rañaju nova znanja ?

Zbog vjekovne čovjekove znatiželje: Ljudsku vrstu oduvijek je zanimala: vlastita spolonost (muško, žensko),

spolovi kod životinja i biljakasličnost izmeñu roditelja i djece !

razlike izmeñu ljudskih rasa !raznolikost biljnog i životinjskog svijeta !

(286 000 cvjetajućih biljaka, 500 000 gljiva, 750 000 insekata)

Vjekovna čovjekova nastojanja:• odabrati životinje sa željenim svojstvima (izvršiti selekciju) • razviti biljnu proizvodnju (kvantitativno - postići viši urod

kvalitativno - proizvesti bolju kakvoća)• proizvesti lijekove za liječenje genetskih bolesti (inzulin, hormon rasta)• mapirati gene na kromosomima (stvoriti karte gena za organizme)• proučiti genome vrsta (raznolikost sačuvati i pravilno koristiti)• prenositi i kombinirati gene izmeñu vrsta i izmeñu biljnog i životinjskog

svijeta•kontrolirati ekspresije gena - uneseni gen u organizam može biti nedjelotvoran ( ne dolazi do njegovog djelovanja ili ekspresije)

I danas težimo i radimo kako bi na osnovi našeg znanja iz genetike osigurali:

Prednosti u poljoprivredi

Stvaranjem novih genotipova - sorti, hibrida, pasmina, sojeva koji će imati:

1. učinkovitiji utrošak energije u fotosintezi (uz dostatnu količinu sunčeve energije biti u mogućnosti stvoriti što veći proizvod)

2. poboljšanje otpornosti biljnih i životinjskih vrsta – (na bolesti , mikroorganizme, insekte, sušu, kiselost tla)

3. kombinirati roditelje i kreirati populacije za- izbor potomstva koje će imati bolja/drugačija svojstva (npr. ekonomični genotipovi koji će uz manji utrošak mineralnih gnojiva stvoriti visoki urod)

4. Stvarati i izborati genetske varijante koje imaju - povećani sastav proteina, korisnih masti, vitamina

5. Čuvati i očuvati za buduće generacije bio-raznolikost biljnog i životinjskog svijeta

GENETIKA- prirodna znanost

• u početku bila dio biologije • početkom 20-tog stoljeća u biologiji bilo je poznato:

tvar sastoji od atomastanica osnovna jedinica životastanica sadrži jezgru s kromosomimasvaka vrsta ima konstantan broj i strukturu kromosoma

• naziv genetika uvodi W. Bateson (1905) • danas je genetika zasebna znanost uključuje istraživanja: molekula, stanica, organizama i populacija

• u istraživanjima iz područja genetike upotrebljavaju se ANALIZE izkojih se izvode zaključci i proizlaze PRINCIPI I ZAKONITOSTI

• najstarija i najjednostavnija definicija genetike kao znanosti je:Genetika je znanost o nasljeñivanju svojstava

GENETIČARI I GENETIČKA ISTRAŽIVANJA

1856-1866 Gregor Mendel –Zakonitosti nasljeñivanja svojstava (grašak)

1859 Charled Darwin – Prvi publicirao teoriju evolucije vrsta

1871 Fredrich Miescher - izolira "nuklein" iz jezgre (nuklein=DNK)

1900 Hugo de Vries, Carl Correns, Erich vone Tschermak- potvrñuju podatke Mendel-ovih principa nasljeñivanja

1902 Walter Sutton,Theodor Boveri - predlažu kromosomskuteoriju nasljednosti (kromosomi materijali prenosioci gena)

1903 William E. Castle - prvi prepoznaje odnos izmeñu frekvencije alela i genotipa

1905 William BatesonW. Bateson, R.C. Punnett-pokazali su vezu izmeñu gena (vezani geni)

1908 Godfrey H. Hardy Wilhelm Weinbergpostavili matematičke principe izmeñu frekvencije genotipova i alela u populaciji

1908 H. Nilsson.Ehle- objavio podatke o poli-genskom nasljeñivanju-koja daje osnovu za tumačenje nasljeñivanja kvantitativnih (kontinuiranih) svojstva

1909 W. Johannsen- prvi upotrijebio riječ gen

1911 Thomas Hunt Morgan - pronašao prvi gen za boja očiju lociran u spolnom kromosomu kod vinske mušice (D. melanogaster)

1913 Alfred Surtevant- uvodi principe konstrukcije genetskih mapa

1927 Herman J. Muller- pokazao da X zrake mogu prouzročiti mutacije

1941 Geoge Beadle, Edward Tatum- daju hipoteza jedna gen - jedan enzim

1950 Barbara McClintock – kod kukuruza otkriva postojanje“pokretnih elementa” (transposona) –geni koji se mogu premještati u kromosomima

1953 James Watson, Francis Crick –otkrili strukturu molekule DNK

1958 Matthew Meselson,Franklin Stahl- dokazali da se replikacija DNK

odbija po semikonzervativnom modelu1959 Severo Ochoa - otkrio prvi enzim RNK polimerazu1966 Marshall Nirenberg, H. Gobind Khorana-

otkrili kompletni genski kod1977 Philih Sharp i drugi- otkrio intron u eukariotskih gena

1990 James Watson i drugi znanstvenici- projekt mapiranjegenoma važnih organizama i čovjeka

1996 National Institute of Heath- 150 kliničkih svojstava odobrenih za transfer gena, dugogodišnji cilj liječenja genetskih bolesti genskim terapijama

2000 National Institute of Heath- pročitan genom čovjeka

Genetika – gen

Nasljedna tvar kroz stoljeća je različito nazivana i definirana: Aristotel - "fizikalna supstanca“Hipokrit - "humorus“Darvin - "gemmules“Mendel - "faktor" -Johenson - "gen" -

Što je gen? Nosilac nasljednih svojstava• slijed nukleotida u DNK – koji odreñuje slijed AK u

funkcionalnom proteinu • GEN je odsječak molekule DNK lanca koji

ima smjer 3----5

SVOJSTVA

Svojstvo je mjerljiva ili vidljiva karakteristika nekog organizma kojase genima prenosi na potomstvo.

Vanjski izgled nekog svojstva naziva se FENOTIP.

→fenotip svojstva ili obilježje svojstva:

-boja cvijeta = svojstvo, a može biti crvena, žuta, bijela

- oblik zrna može biti okrugao ili naborani(to je zapravo okrugao ili naborani fenotip).

-boja dlake kod kunića (siva, bijela..) - boja dlake kod konja (vranac, alat, dorat)

GENOTIP je skup svih gena jednog organizma (genetska konstitucijaorganizma).

Na formiranje fenotipa utječe genotip, okolina i njihovainterakcija:

FENOTIP = GENOTIP + OKOLINA + INTERAKCIJAF = G + O + I

Obzirom na utjecaj genotipa i okoline na razvoj svojstvamožemo podijeliti u dvije osnovne skupine:1. Kvalitativna ili alternativna svojstva (diskontinuirana)2.Kvantitativna svojstva (kontinuirana)

2.1. Kvazikvantitativna svojstva1. Kvalitativna ili alternativna svojstva (diskontinuirana).F = G

-Fenotip ovih svojstava pod kontrolom je genotipa, tzn. okolina ne utječena njihov razvoj.

-Kontrolira ih mali broj gena → jedan, ponekad dva.-u distrubuciji kvalitativnog svojstva populacije jedinki nema prijelaza, već samo krajnosti (okrugli, naborani).Primjeri kvalitativnih svojstava: boja cvijeta, oblik cvijeta, krvne grupe kod ljudi A, B, AB, 0.

Distribucija kvalitativnog svojstva: oblik zrna graška

0

20

40

60

80

okruglo naboranoFr

ekve

ncija

fen

otip

ova

(%)

2. Kvantitativna svojstvaF = G + O + I-Na fenotip utječe i genotip i okolina te njihova interakcija. -Kontrolira ih velik broj gena. -kvantitativna svojstva su npr. prinos, % proteina, % šećera u plodovima, otpornost na neke bolesti, boja kože kod čovjeka, boja očiju itd. -Fenotipska distribucija kvantitativnih svojstava je kontinuirana i normalna u nekom intervalu, a unutar tog intervala neograničen je brojrazličitih fenotipova– što više gena utječe na svojstvo to je više različitih fenotipova.

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Broj biljaka

Postotak šećera (%)

Primjer: postotak šećera u plodovima trešnje različitih sorata

2.1. Kvazikvantitativna svojstva

F = G + o-Fenotip je pod utjecajem relativno većeg broja gena što jekarakteristika kvantitativnog svojstva, ali nema utjecaja okoline (ili je on vrlo mali).-Utjecaj tih gena se zbraja (aditivni geni) i fenotipska distribucija iakoograničenog broja fenotipova približno je normalna ili kontinuirana.

Primjer: boja perikarpa kod pšenice koju kontroliraju tri gena. Ovisno o broju aditivnih alela boja perikarpa može biti žuta ili jedna od6 nijansi smeñe boje

Distribucija kvazikvantitativnog svojstva: boja perikarpa kod pšenice

1

6

15

20

15

6

1

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

Broj R (aditivnih) alela

Normalna distribucija za svojstvo koje je kontrolirano s velikimbrojem gena

Postoje i drugačije podjele svojstava, npr. na:- morfološka, - fiziološka, - citološka, - anatomska i sl.

-Svojstvo može biti kontrolirano s jednim ili s više gena

-Najednostavnije se nasljeñuju kvalitativna svojstva kontroliranajednim genom koji ima dva alela: dominantni i recesivni.

Alel je pojavna oblik (forma) gena

Primjeri takvih svojstava kod ljudi su slijedeća morfološka svojstva:

Savijanje jezika u obliku slova usposobnost uvijanja jezika: dominantno svojstvo(T-), nemogućnost uvijanja jezika: recesivno svojstvo (tt)

tt T-

Rupice na obrazimapostojanje rupica na obrazima: dominantnosvojstvo (D-)nepostojanje rupica na obrazima: recesivnosvojstvo (dd)

D- dd

Ušne resiceslobodne: dominantno svojstvo (E-)spojene: recesivno svojstvo (ee)

E- ee

Oblik palcaravan: dominantno svojstvo (J-)savijen: recesivno svojstvo (jj)

J- jj

Dužina drugog nožnog prstaDrugi nožni prst duži od palca: dominantno svojstvo (L-)Drugi nožni prst kraći od palca: recesivno svojstvo (ll)

L-

Morfološka svojstva kod biljaka

Oblici listova

Citološko svojstvo: oblik škrobnih zrnaca

kukuruz riža krumpir

Anatomsko svojstvo: presjek stabljike monokotiledona i dikotiledona

monokotiledone dikotiledone

Svojstva od interesa su Kvantitativna ili kvalitativna

- povećati količinu proteina (više 17%)- više esencijalnih AK- namjenske sorte (brašno, kekse, škrob)

- novi genotipovi karfiola, - povećana količina vitamina, - anti-oksidativnih tvari, - različitih antocijana itd.

genotipovi povećati i poboljšati:urod i kvalitetu (zelje za sarmu kvaliteta lista, za kiseljenje,

za salate- manja centralna žila)Repa- za ishranu ljudi i životinja

Jabuka genotipovi: geni za boju• kore (boje i nijanse boja ) • ploda- crvena• debljina “kore”•sadržaj vitamina, voćnih šećera, jabučnih kiselina

Plod smokve : geni za:• boju, okus, oblik ploda, • veličinu i boju, količinu šećera• vrijeme sazrijevanja

Genotipovi- cvijeća i drvećageni za:• boju, miris, • sadržaj alkaloida• oblik cvijeta, lista

Genotipovi i fenotipovidom. životinja

MOLEKULARNA (BIOKEMIJSKA) RAZINA

NASLJEĐIVANJA SVOJSTVA

Što je bilo poznato prije nego se znala kemijska struktura DNK ?Bilo je poznato slijedeće:

• Geni kontroliraju strukturu proteina (teorija jedan gen - jedan enzim (polipeptid)

• Geni mogu mijenjati svoju strukturu, a time i funkciju

• Geni se nalaze u kromosomima

• Kromosomi se sastoje od DNK i proteina

SVOJSTVA (NASLJEDNE TVARI) GENA (dio mol. DNK)

1. SAMOREPRODUKCIJA ili UDVOSTRUČENJE – nasljedna tvar mora biti u mogućnosti replicirati se, umnažati -(stanice potomstva imaju istu gensku informaciju kao stanice roditelja)

2. PRENOS NASLJEDNIH INFORMACIJA (transkripcija) –nasljedna tvar mora se moći jednostavno “prepisati” kako bi imala sposobnost prenijeti informaciju o svojstvu iz generacije u generaciju

3.PROMJENA STRUKTURE I FUNKCIJE (mutacije)- sposobnost mijenjati se ali bez promjena uobičajene funkcije - organizmi su sposobni za prilagodbu na različite uvjete uzgoja (evolucija)

Koja je to molekula koja ima svojstva:

1. udvostručiti se ili samoreproducirati?2. prenositi informacije i kontrolirati svojstva?3. promijeniti strukturu ali ne i uobičajenu funkciju - mutirati ?

Što je po kemijskoj strukturi molekula nasljedne tvari?

Bila su razmišljanja:Ako se kromosomi sastoje od DNK i proteina

Što je nasljedna tvar po kemijskoj strukturi:

• Proteini ? • proteini + DNK ? • ili DNK?

NUKLEINSKE KISELINE (DNK, RNK)

DNK - deoksiribonukleinske kiselineRNK - ribonukleinske kiseline• makromolekule,• DNK i RNK razlikuju se po: STRUKTURI,

FUNKCIJI,SMJEŠTAJU u stanici

DNK – DEOKSIRIBONUKLEINSKA KISELINA

1869. Fridrich Miescher - otkrio DNK *DNK- smještena u jezgri stanice

1953. Watson i Crick - odgonetnuli kemijsku strukturu DNK

Definicija: Molekula DNK sastoji se od dva polinuklotidna,komplementarna lanca koji su meñusobnopovezani H vezama, uvijaju u vidu spirale i imaju suprotan smjer uvijanja (3--5, 5--3)

Model molekule DNK (dio)- struktura

2 lanca molekule DNK

“Osovinu” svakog lanaca- šećer+fos.

Komplementarni bazni parovi

Udaljenost izmeñu 2 nukleotida

šećer

Vodikove veze

NUKLEOTID• Osnovna grañevna jedinica nukleinskih kiselina

• Molekula DNK- grañena od polinukleotida

Osnovna struktura nukleotida

Sastavni dijelovi nukleotida u molekuli DNK su:1. N baze – purinske A (adenin), G (gvanin) (2 prstena)

- pirimidinske T (timin), C (citozin) (1 prsten)2. Šećer (deoksiriboza)3. Fosforne skupine PO4

A=

C=

=G

= T

Komplementarnost N baza u molekuli DNK:

-G i C povezane trostrukom H vezom

- A i T povezane dvostrukom H vezom

Shema 1. Dio molekule DNK, (Watson-Cricov model)

Shema 3. Suprotna polarnost – orijentiranost 2 lanca molekule DNK (jedan lanac smjer 3---5 i drugi lanac smjer 5--3)

5'5'

3'3'

Šećer deoxiriboza: mjesta vezanja PO4 skupina i N baza u mol DNK

Vežu se PO4 skupine

Vežu se PO4 skupine

Vežu se N baze

Dio jednog lanca mol DNK- prikaz veza N baza, deoksiriboze i PO4 skupina

PRIMARNA STRUKTURA DNK

Osnovu lanca čine:• fosforne skupine (PO4) i šećer deoksiriboza

• dva lanca suprotnog su smjera: (jedan ima smjer 3'-5',a drugi lanac je 5'-3‘ smjera) (smjer se odnosi na vezu PO4 skupine i šećera).

• u lancu 3--5 smjera - PO4 skupina vezana je na 3C deoksiriboze• u lanacu 5--3 smjera- PO4 skupina vezana je na 5C deoksiriboze• deoksiriboza vezana je za dušične baze (N):

ugljik na poziciji 1 (C1) deoksiriboze veže se:na N9 purinskih baza (A, G)

i na N1 pirimidinskih baza (T, C)• dušične (N) baze izmeñu sebe vezane su vodikovim (H)

SEKUNDARNA STRUKTURA DNK

Proučavajući sekundarnu strukturu DNK u različitim organizmima E. CHARGAFF došao je do zaključaka:

1. Molarni odnos pirimidinskih N baza (T + C) jednak je molarnom odnosu purinskih baza (A + G)

2. Molarni odnos komplementarnih baza A i T jednaki su,molarni odnos G i C takoñer jednaki su

3. Molarni odnos komplementarnih parova baza(A i T) : (G i C) različit je u različitim organizmima.

Tablica 1. Molarni odnos N baze u DNK iz različitih izvora

Što je gen? • Nosilac nasljednih svojstava.

Koja je njegova molekularna osnova?Odsječak molekule DNK lanca koji ima smjera 3--5.

A + T Organizam Tkivo A T G C G + C

Escherichia coli (K12)

- 26.0 23.9 24.9 25.2 1.00

Diplococcus pneumoniae

- 29.8 31.6 20.5 18.0 1.59

Mycobacterium tuberculosis

- 15.1 14.6 34.9 35.4 0.42

Yeast - 31.3 32.9 18.7 17.1 1.79 Paracentotus lividus (sea urchins)

Spermij 32.8 32.1 17.7 18.4 1.85

Haringa Spermij 27.8 27.5 22.2 22.6 1.23 Štakor 28.6 28.4 21.4 21.5 1.33 Čovjek Timus 30.9 29.4 19.9 19.8 1.52 Čovjek Jetra 30.3 30.3 19.5 19.9 1.53 Čovjek Spermij 30.7 31.2 19.3 18.8 1.62

SVOJSTVA (NASLJEDNE TVARI) GENA

1. SAMOREPRODUKCIJA ili UDVOSTRUČENJE – nasljedna tvar mora biti u mogućnosti replicirati se, umnažati -(stanice potomstva imaju istu gensku informaciju kao stanice roditelja)

2. PRENOS NASLJEDNIH INFORMACIJA (transkripcija) -nasljedna tvar mora se moći jednostavno “prepisati” kako bi imala sposobnost prenijeti informaciju o svojstvu iz generacije u generaciju

3. PROMJENA STRUKTURE I FUNKCIJE (mutacije)- sposobnost mijenjati se ali bez promjena uobičajene funkcije - organizmi su sposobni za prilagodbu na različite uvjete uzgoja (evolucija)

1. SAMOREPRODUKCIJA ILI UDVOSTRUČENJE molekule DNK• proces u kojem iz jedne molekule DNK nastaju dvije molekule potpuno jednake (isti poredak N baza)

Mogući modeli udvostručenja DNK su:1. konzervativni, 2. disperzivni, 3.semi-konzervativni.

1. 2. 3.

KONZERVATIVNI model- jedna novonastala molekula DNK ima oba lanca roditeljska,

a druga (kćerinska) molekula ima oba novo-sintetizirana lanca.

DISPERZIVNI model- svaki lanac u novonastalim kćerinskim molekulama DNK

sastoji se od dijela koji je roditeljski i dijela koji je novo-sintetizirani.

SEMIKONZERVATIVNI model- u novo nastalim molekulama DNK jedan lanac je roditeljski,

a drugi je novo-sintetizirani na osnovi komplementarnostiN baze.

1. Samoudvostručenje -replikacija molekule DNK –E. coliEnzimi koji sudjeluju u procesu udvostručenja: DNK polimeraza I,

III,topoizomeraza, DNK ligaza, RNK primaza, helikaza

(može sint. u smjeru 5’ 3’– enzim za sintezu novog lanca koristi uvijek predložak 3’ 5’)

roditeljski lanac predložak (5’ 3’)

roditeljski lanac predložak (3’ 5’)

(može sintet. u smjeru 5’ 3’ )

3’

5’

5’ 3’

DNK –UVIJEK se udvostručuje u smjeru 5----3 koristeći antiparalelan lanac kao predložakZašto? Zato što se nove N baze mogu dodati na 3’ OH poziciju šećera

DNK polimeraze dodaju baze na 3’ OH postojećeg polinukleotida

1.Samoudvostručenje -replikacija molekule DNK –E. coli

Vodeći lanac

Zaostajući lanac

novi lanac

Replikacijska viljuška-enzimi koji sudjeluju u replikaciji mol. DNK

DNA polimeraza I

DNA polimeraza I

DNA ligaza

RNA klicaRNA klica

Djelovanje enzima; DNK- polimeraze i ligazeu sintezi zaostajućeg lanca

Ukratko o udvostručenju mol DNK• odvija na replikacijskoj viljušci• oba lanca DNK sudjeluju u udvostručenju• sudjeluju enzimi: DNK i RNK polimeraze, egzonukleaze,

DNK ligaza• protein (SSB) odmata molekulu DNK i drži lance odmotane da

se ponovno ne vežu (spetljaju)• enzimi helikaze kidaju vodikove veze izmeñu N baza dvaju

lanaca u molekuli DNK• RNK polimeraza (primaza) stvara RNK-primere (prajmere)• Primeri -kratki segmenti koji imaju oko 30nukleotida• RNK - primeri stvaraju se jer enzim DNK polimeraza može

djelovati samo kada su primeri prisutni

•Roditeljski lanac DNK 3--5 smjera -predložak je nove molekule na osnovi kojeg se sintetizira tzv. vodeći lanac (koji ima smjer 5-3)

•Roditeljski lanac DNK 5--3 smjera -predložak je za sintezu kratkih dijelova novog lanca DNK tzv. okazaki fragmenti, • okazaki dijelove enzim DNK-ligaza spaja u tzv. zaostajući lanac (koji ima 3-5 smjer)

• na kraju procesa udvostručenja stvorene su dvije molekule DNK koje su potpuno iste polaznoj molekuli (imaju isti poredak N baza)

RIBONUKLEINSKE KISELINE (RNK)

Molekule RNK su polinukleotidne.Nukleotid RNK se sastoji od:

1. šećera - riboze,2. PO4 skupina3. dušične baze (A, U, G, C)

RNK

Razlika u strukturi izmeñu DNK i RNK:

1. RNK su jednostruke (imaju jedan lanac)

2. RNK imaju šećer ribozu

3. umjesto N baze T (timin) imaju U (uracil)

4. znatno su kraće

Neke vrste RNK:1. rRNK2. tRNK3. mRNK (iRNK, gRNK)

Usporedba molekula RNK i DNK

RIBOSOMSKE RIBONUKLEINSKE KISELINE (rRNK)

rRNK - imaju enzimatsku ulogu u sintezi proteina

Struktura rRNK

• multimolekularna struktura (rRNK - stepenice povezane proteinima kojima je odreñena stvarnabiološka aktivnost )

• sastavni dio ribosoma

• ribosomi organele u stanici - sinteza proteina

Struktura rRNK (dio)

Nukleotidi

proteini

Ribosomi- dvije podjedinice: kod prokariota - 50S i 30S,kod eukariota - 60S, 40S (S=Svedberg jedinica sedimentacije)

• rRNK čine 80% ukupne količine RNK u stanici

• brojne su u stanici koja raste (bakterija ima 20000 ribosoma)

• za vrijeme prevoñenja "poruke" sa mRNK ribosomi dotičumRNK pomiču se po njoj i vrši se sinteza proteinsko lanca

Ribosomi

podjedinice podjedinice

TRANSPORTNE RIBONUKLEINSKE KISELINE (tRNK)

• tRNK vežu slobodne AK u citoplazmi i prenose ih do ribosoma, gdje se AK vežu u proteinski lanac

• tRNK su molekule koje "čitaju" (pomoću antikodona) nukletidne sekvence mRNK i pretvode ih u sekvence AK (aminokiselina) - proteinske lance.

•molekule tRNK su relativno male (74 -95 nukleotida)imaju oblik trolista djeteline

•pored uobičajenih N baza imaju i neuobičajene (rijetke) N baze uridin, pseudouridin, inozin, dihidouridini čitav niz metiliranih N baza

Struktura tRNK

U strukturi tRNK važna su četiri mjesta:1. CCA-OH na koje se vežu AK2. vezivanje s ribozomom3. vezivanje s enzimom aminoacil - tRNK sintetazom4. antikodon - dekodira biološke informacije koju nosi mRNK

Vezanje slobodnih AK i tRNK• AK sa COOH veže se na nukleotidu koji ima Adenin na OH skupinu šećera riboze• Vezu AK-tRNK kontrolira enzimamino-acil tRNK sintetaza

Mjesto vezanja AK

antikodon

Neuobičajene N baze u t RNK

inozin

Metilgvanozin

antikodon

tRNK Mjesto vezanja aminokiseline

Model tRNK tridimenzije

MESSENGER (mRNK) ILI INFORMACIJSKA (iRNK)

• mRNK -poveznica izmeñuDNK - proteinskog lanca,

• prenosi biološku informaciju iz jezgre u citoplazmu o BROJU i PORETKUaminokiselina (AK) u polipeptidnomlancu

• mRNK je direktna kopija jednog gena (dio lanca molekule DNK smjera 3'-5')

• mRNK jednostruki lanac uvijeksmjera 5' -3‘

mRNKu citoplazmi

SVOJSTVA (NASLJEDNE TVARI) GENA

1. SAMOREPRODUKCIJA ili UDVOSTRUČENJE – nasljedna tvar mora biti u mogućnosti replicirati se, umnažati -(stanice potomstva imaju istu gensku informaciju kao stanice roditelja)

2. PRIJENOS NASLJEDNIH INFORMACIJA (transkripcija)-nasljedna tvar mora se moći jednostavno “prepisati” kako bi imala sposobnost prenijeti informaciju o svojstvu iz generacije u generaciju

3.PROMJENA STRUKTURE I FUNKCIJE (mutacije)- sposobnost mijenjati se ali bez promjena uobičajene funkcije - organizmi su sposobni za prilagodbu na različite uvjete uzgoja (evolucija)

2. Prijenos genskih informacija (transkripcija)Transkripcija DNK - SINTEZA (stvaranje) mRNK

Crick (1956) je dao Centralnu dogmu DNK-RNK--protein

Prepisivanje genske poruke- transkripcija dijela DNK (gen) • Samo dio lanaca -3-5 smjera DNK se prepisuje, u dužini 1

gena kod eukariota ili skupine gena kod prokariota• lanac DNK 3--5 smjera predložak je za sintezu RNK koja ima

uvijek 5-3 smjer• drugi lanac molekule DNK (5—3 smjera) ne prepisuje

transkripcija ili prepisivanje gena počinje u području promotora, romotora, (specifično mjesto na DNK)

• Promotor -dio DNK koji dotiče enzim RNK polimeraza i

započinje transkripciju gena

• transkripcijski i regulacijski faktori – specifični proteini odgovorni za početak i kraj prepisivanja (transkripcije) gena

Transkripcija DNK ili sinteza mRNK

Smjer prepisivanja tj.Sinteze RNK

Predložak lanca mol DNK koji se prepisujeUočiti komplementarnost N baza DNK i RNK mol.

Prepisivanje gena (transkripcija) kod prokariota- u jednom procesu prepisuje se grupa gena

Prepisivanje gena(transkripcija) eukariota• Prepisuje se samo 1 gen• Sintezu RNK katalizira enzim RNK-polimeraza• RNK - polimeraza odmata molekulu DNK u dužini jednog gena i po predlošku lanca 3'--5' sintetizira se preko hnRNK molekulamRNK 5--3 (sinteza se odvija na osnovi komplementarnosti N baza)• Lanac DNK koji se prepisuje sastoji se od:EGZONA (kodirajuće sekv.) i INTRONA (nekodirajuće sekv.)• Egzoni i introni prepisuju se u heterogenunuklearnu rinobuklinsku kiselinu (hnRNK)iz koje se isjecanjem introna stvara mRNKkoja ima samo egzone (kodirajuće sekvence)

Egzon intron egzonDNK 3 TAC GGA TGA ATG GAC CCG CAT 5

hnRNK 5 AUG CCU ACU UAC CUG GGC GUA 3mRNK 5 AUG CCU ACU GGC GUA 3

Gen (introni+egzoni) za globulin

Kodirajući dio gena (egzoni)

“capa” početak mRNK

“rep”ZavršetakmRNK

Dovršetak stvaranja “zrele” mRNK –na početak molekule mRNK ugradi se tzv. “capa”

Na završetak se doda “rep” tzv.pli A

Transkripcija u stanicama prokariota i eukariota

Transkripcija 1 gena odvija seu jezgri stanice

transkripcija grupe gena odvija se u stanici

GENETIČKI KOD, KODON I ANTIKODON

KOD- triplet (3) N baza (nukleotida) u molekuli DNK lanca 3-5 smjera

KODON - triplet N baza (nukleotida) u molekuli mRNK 5-3 smjera

ANTIKODON - triplet N baza (nukleotida) u tRNK

poredak nukleotida (N baza) u molekuli DNK odreñuje poredak AK u proteinskom lancu

koliko je nukleotida (N baza) potrebno i dovoljno za odreñivanje ili kodiranje jedne AK u proteinskom lancu ?

4 N baze ugrañene su u molekule nukleinskih kiselina

20 AK u prirodi

1N baza? NE moguće odrediti samo 4 AK

2N baze? NE moguće odrediti samo 16AK

3N baze? DA moguće složiti 64 kombinacije po 3 N baze (tripleta)

Tablica kodona

Način funkcioniranja (komplementarnost):KOD, KODON, ANTIKODON

1 2 3 4 5 6KODOVI 3’ TAC TCG ATT CCA AAA GGC 5’ DNK

KODONI 5’ AUG AGC UAA GGU UUU CCG’ 3’ mRNK

ANTIKODONI UAC UCG AUU CCA AAA GGC tRNK

SINTEZA PROTEINA

Načini sinteze proteina u stanici eukariota

STRUKTURA PROTEINA

AK - imaju veliku mogućnost kombinacija u proteinskom lancu

od tri AK moguće je šest kombinacija poretka u proteinski lanac

AK1-AK2-AK3

AK1-AK3-AK2

AK2-AK1-AK3

AK2-AK3-AK1

AK3-AK1-AK2

AK3-AK2-AK1

od četiri AK moguće su 24 kombinacije poretka

kod svih vrsta proteina koji su do sada proučeni redoslijed AK je odreñen, specifičan i konstantan,

npr. mioglobin (prenosilac O2 u mišićima sisavaca) ima 57 AK,

- hemoglobin se sastoji od četiri lanca 2 alfa (141AK) i 2 beta ( 146 Ak)

- poredak AK u proteinskom lancu odreñen je genom

- promjena poretka N baza mijenja poredak AK,

- ako se na mjestu 6 alfa-lanca hemoglobina promijeni jedna Nbaza (umjesto AK glu veže se AK-val),

srpasta anemija bolestcrvenih krvnih zrnaca

Molekularna struktura proteina

1. primarna struktura -lanacsastoji se od AK AK-kodiraju (odreñuju) geni

2. sekundarna strukturauvijanje i okretanje jednog polipeptidnog lanca u različitim oblicima, struktura stabilizirana H vezama

3. tercijarna struktura trodimenzionalno uvijanje polipeptidnog lanca.

4. kvartarna strukturaspecifičnonagomilani polipeptidni lanci,

hemoglobin (2 alfa i 2 beta lanca i 4 hema grupe).

SINTEZA PROTEINA• Proces sinteze proteina odvija se u dva složena

procesa:TRANSKRIPCIJA - prepisivanje genske informacije sa DNK (3-5) na mRNK (5-3) odvija se u JEZGRI staniceeukariota

TRANSLACIJA - oblikovanje proteina (prevoñenje genske informacije u proteinski lanac) odvija se u CITOPLAZMIstanice

TRANSKRIPCIJA• prijepis čitavog gena kod eukariota ili• skupina gena kod prokariota• prepisivanje na osnovi komplementarnosti N

baza DNK--mRNK

•Sinteza proteina je složena kemijska reakcija,• poliribosomi – mjesto sinteze proteina • ribosom čine dvije podjedinice kod:prokariota 50S, 30S,

eukariota od 60S, 40S,• ribosom s manjom podjedinicom 30S veže se na mRNK

(3 - 10 nukleotida) •ribosom “klizi” po mRNK do početnog kodona AUG

Proces sinteze proteinskog lanca

manja popdjedinica

ribosoma

Veća podjedinicaribosoma

Početak sinteze proteina: manja podjedinica ribosoma dotakne mRNK (početni kodon AUG) na mjesto P dolazi 1. tRNK+ met, tada se velika podjedinica ribosoma veže s manjom i slijedeća tRNK+ AK ulazi na A mjesto

A - aminoacilno mjesto (mjesto ulaza aminoacil - tRNK kompleksa(tRNK-AK),P - peptidilno mjesto - tRNK+AK se pomiče iz A u P mjesto- pomicanjem ribosoma za jedan kodon premjesti se kompleks tRNK +AK na P mjesto, A mjesto ostaje prazno za slijedeći aminoacil tRNK+AK

inicijacijski kompleks: manja podjedinica ribosomadotaknula je mRNK, na mjesto PPribližava se tRNK koja nosi amino kis.Met koju će ugraditi na početak proteinskoglanca čija je sinteza u tijeku

TRANSLACIJA• oblikuje se proteinski lanac u citoplazmi u poli -ribosomima

Faze translacije:1. AKTIVACIJA2. INICIJACIJA3. ELONGACIJA4. TERMINACIJA

1. AKTIVACIJA• aktiviranje AK i vezivanje za tRNK uz energiju iz ATP i uz

pomoć enzima aminoacil-tRNK sintetazena specifičnom mjestu tRNK (CCAOH) veže se AK• AK1+tRNK1+ATP --------- AK1--tRNK1 + ADP• AK2+tRNK2+ATP --------- AK2--tRNK2 + ADP• AK1+tRNK1+ AK2+tRNK2 (enzim-peptidil-transferaza)-• AK1--AK2--tRNK2 + tRNK1

2. INICIJACIJA• početak prevoñenja genske poruke u proteinski lanac• na 1. kodonu (AUG) mRNK počinje translacija

Početak sinteze proteina: manja podjedinica ribosoma dotakne mRNK (početni kodon AUG) na mjesto P dolazi 1. tRNK+ met,

tada se velika podjedinica ribosoma veže s manjom i slijedeća tRNK+ AK ulazi na A mjesto

3. ELONGACIJA - proces povećanja proteinskog lanca,

Stvaranje peptidilnog tijela i premještanje

U procesu elongacije oba mjesta u ribosomu su aktivna : • u peptidilnom (P) se nalazi kompleks 1.tRNK+AK • a aminoacilno (A) mjesto spremno je za ulazak kompleksa

2. tRNK+AK,

Tada se dvije AK (AK1.+AK2.) izmeñu sebe vežu peptidnom vezom (izmeñu karboksilne grupe fMET i amino grupe druge AK )

• kompleks AK1-AK2-tRNK premjesti se u peptidilno (P) mjesto u ribosomu

• aminoacilno (A) mjesto je prazno i omogućen je ulazak trećeg (kodona)

• ribosomi klize duž mRNK do trećeg nukleotida itd...

I. Na postojeći inicijacijski kompleks (manja podj rib.+1. kodon na mRNK+ tRNK+AK1) koji se nalazi u mjestu Pveže se veća podjedinica ribosoma s manjom• tada na mjesto A ulazi tRNK+Pro

II. Amino kiseline (Met+Pro) vežu se peptidnom vezom* tRNK koja je nosila Ak-met izlazi iz mjesta P•Kompleks( tRNK+Met+Pro) premjestit će se na mjesto P, • a mjesto A ostat će prazno za slijedeću tRNK+Gly

III. Slijedeća tRNK+Gly ulazi u mjesto A, • tada će se Gly vežati u peptidni lanac, • tRNK koja je nosila AK-Pro izlaći će iz P mjesta, • na mjesto A ulazi novi kompleks tRNK+Tyr itd…i tako se produžuje peptidni lanac

I. II.

III.

ELONGACIJA

4. TERMINACIJA• završetk sinteze proteinskog lanca i odvajanje od ribosoma• u ribosom na aminoacilno (A) mjesto uñe jedan od: stop, završnih, nonsense ili besmislenih kodona- UAG, UAA, UGA• tada u ribosomu na A mjesto uñe jedan od tzv. "kiselih proteina", završnih ili terminacijskih faktora RF1 ili RF2

UAG (AMBER) - ulazi RF1 UAA (OPAL)- ulazi RF1 ili RF2UGA (OCHRE) - ulazi RF2

Shema sinteze dijela proteinskog lanca

Tehnike rekombinantne DNA (genetičko inženjerstvo)

Razvoj tehnike rekombinantne DNA doveo je do proizvodnje transgeničih = genetički modificiranih biljaka (GM biljke)

-GM biljke se danas i komercijalno uzgajaju →najviše ima GM kultura tolerantnih na totalne herbicide i otpornih na pojedine insekte, te kombinacije ovih dvaju svojstava

2007. god. – genetički modificiranim biljkama zasijano

114.3 mil. ha⇒ najveće površine zauzimajuGM soja (tolerantna na totalni herbicid)

GM kukuruz (toler. na herbicid i/ili otporan na insekte)

GM pamuk (toler. na herbicid i/ili otporan na insekte)

GM uljana repica (toler. na herbicid i/ili otporna na insekte)

- najveći proizvoñači GM usjevaSAD, Argentina, Kanada, Brazil, Indija, Kina

Europa: Španjolska, Portugal, Češka, Rumunjska, Slovačka

Polje GM soje tolerantne na totalni herbicid

Primjer genetički modificirane riže tolerantne na herbicid

Netransformirana biljka ne klije na hranjivom mediju u kojem je herbicid

Kukuruz oštećen kukuruznim moljcem

GM kukuruz otporan na kukuruznog moljca -sadrži gen za otpornost na kukca

Primjeri komercijaliziranih genetički modificiranih biljaka otpornih na viruse

Tikvice

Papaja

GM jabuke modificirane za sporije prezrijevanje –nema ih u komercijalnoj prizvodnji

Da bi se proizvele genetički modificirane biljke mora postojati tehnika unosa transgena u pojedinačne biljne stanice, a potom se iz tih pojedinačnih transformiranih stanica u kulturi biljnog tkiva moraju razviti GM biljke

-regeneracija (razvoj) novih biljčica u kulturi biljnog tkiva je već rutina za mnoge biljne vrste

Regeneracija begonija iz komadića listova (eksplantata)

Genetičke transformacije (modifikacije) biljaka

Postoji nekoliko metoda unosa strane DNA u biljne stanice, ali dvije najvažnije su:

1) transformacija pomoću bakterije Agrobacterium tumefaciens

2) transformacija bombardiranjem česticama (biolistic metoda)

Za jednu i drugu metodu potrebno je željeni gen insertirati u plazmid(ekstrakromosomska cirkularna DNA prisutna u stanicama bakterija i kvasaca)

Time se dobiva rekombinantna DNA

-rekombinantna DNA je hibridna DNA molekula nastala spajanjem dviju ili više različitih DNA molekula.

A. tumefaciens

Rekombinantni Ti plazmid

Transformacija pomoću bakterije Agrobacterium tumefaciens

Za transformaciju biljnih stanica pomoću bakterije A. tumefaciensTi (tumor inducing) plazmid sa željenim genom je potrebno unijeti u A. tumefaciens

BakterijaA. tumefaciens (“divlja”) inače živi u tlu i prirodno je patogena

-na mnoštvu biljnih vrsta (dikotiledonskih) izaziva bolest zvanutumor vrata korijena (crown gall)

-Bakterije ulaze u biljno tkivo na mjestu ranjavanja privučene

fenolnim tvarima (“acetosiringon”) koje izlaze iz ranjenih biljnih

stanica.

-agrobakterija je kemotaktički privučena oštečenoj biljnoj stanici

biljna stanica

jezgra

-Vežu se za zdrave stanice, transformiraju ih i izazivajulokaliziranu

staničnu proliferaciju (neograničeni amorfni rast biljnih stanica

nakon što su transformirane u tumorske)

-Procestransformacijeuključujeprijenos genske informacije iz

bakterije u biljnu stanicu

- prilikom transformacije divlja bakterija u biljne stanice s Ti-plazmida(tumor inducirajućeg) prenosiT-DNA (transfernu DNA) s genima za biljne hormone i opine

-Geni se ugrade u biljni kromosom

Transformacija lisnih diskova duhana pomoću A. tumefaciens

1.suspenzija bakterija nanese se na izrezane eksplantate2.kokultivacija3.odstranjivanje bakterija antibioticima4.kalusiranje na selektivnom mediju5.regeneracija transgenih biljaka6.zakorijenjivanje7.prijenos u zemlju

1 2

4

5

6 7

Tehnikama rekombinantne DNA moguće je umjesto gena za fitohormone i opine u Ti plazmid ugraditi neki željeni gen (tada nema tumorskog rasta). Bakterija će ga jednako efikasno prenijeti u biljnu stanicu iz koje kulturom biljnog tkiva možemo regenerirati cijelu biljku -gentički modificiranu

Transformacija biljnih stanica bombardiranjem česticama

Za transformaciju monokotiledona (žitarice npr.), ali i dikotiledonih vrsta koristi se metoda bombardiranja česticama aparatom popularno zvanim “gene gun”(genski pištolj).

Princip ove metode- male čestice zlata ili volframa (promjera 1-4 µm) obložene s DNA koju se želi unijeti u biljnu stanicu velikom brzinom (obično oko 500 m/s) prolaze kroz biljno tkivo ostavljajući u stanicama DNA, a ne oštećujući ih.

- Željeni gen se potom, slično kao i pomoću agrobakterije, integrira u biljni kromosom.

“Gene gun”

DNA molekule je moguće:

-izolirati (ekstrahirati) iz tkiva organizama

-rezati ih (pomoću enzima restrikcijske endonukleaze) i ponovno spajati (pomoću enzima ligaze)

-amplificirati lančanom reakcijom polimeraze (PCR metoda uz pomoćspecifične DNA polimeraze)

- odrediti im nukleotidnu sekvencu (sekvencioniranje)

Da bi mogli provoditi genetičke transformacije moramo moći manipulirati genimaizrezivati ih iz velikih molekula DNAligirati ih u veće molekule DNA (npr. u plazmide)umnožavati ih (amplificirati)

Izolacija DNA molekula iz biljnog tkiva

-biljno tkivo se smrvi u tekućem dušiku (-196 °C)

-razgradnja staničnih stijenki te defragmentacijastaničnih i membrana organeli (odreñenim kemikalijama)

-centrifugiranje, uzimanje faze u kojoj je DNA

-precipitacija (taloženje) DNA mješavinom etilnog alkohola i natrijevog acetata

-centrifugiranje

-odstranjivanje supernatanta, ispiranje nakupine DNA

-sušenje DNA, resuspendiranje u puferu

Izolacija (ekstrakcija) DNA molekula iz biljnog tkiva

-koncentraciju izdvojene DNA moguće je procijeniti u agraoznom gelu, ali bolje ju je precizno izmjeriti pomoću aparata koji se zove FLUORIMETAR

Restrikcijske endonukleaze

-Razvoj tehnologije rekombinantne DNA omogućilo je otkriće restrikcijskih endonukleaza

To mjesto zove se mjesto prepoznavanja(recognition site) Npr. enzim EcoRI sijeće DNA samo na mjestu 5' . . . GAATTC . . . 3'3' . . . CTTAAG . . . 5'

Restrikcijske endonukleazesu enzimi koji mogu rezati dvostruke molekule DNA na manje fragmente. -Postoji mnogo različitih restrikcijskih enzima, a svaki od njih ima svoje ime (npr. EcoRI, Sac I, Xba I, Sma itd.). -Svaki od tih enzima cijepa DNA na specifičnom mjestu definiranom poretkom dušičnih baza.

-Restrikcijske endonukleaze mogu rezati DNA okomito na lanac ilipomaknutim rezom

-Ako režu pomaknutim rezom, ne sijeku oba lanca u istoj točki, što za posljedicu ima dobivanje kratkih odsječaka jednolančane DNA na svakoj strani reza

Ovi krajevi nazivaju se ljepljivi krajevi (sticky ends) jer se mogu na osnovu komplementarnosti vezati s nekom drugom DNA molekulom izrezanom s istim enzimima.

Potpuno povezivanje sljubljenih DNA molekula (stvaranje fosfodiesterske veze) u rekombinantnu molekulu omogućuje enzim DNA ligaza

Rekombinantna DNA

Za većinu metoda genetičkih transformacija biljnih stanica, gen kojeg želimo unijeti mora biti insertiran u odreñeni vektor (plazmid)

Lančana reakcija polimeraze (PCR)Komponente potrebne za PCR::DNA koja služi kao predložak (nekoliko ng izolirane npr. genomske DNA)

:dva različita primer-a komplementarna krajevima gena kojeg želimo izdvojiti i umnožiti amplifikacijom

:četri različita deoksiribonukleozid trifosfata (dNTP = A, T, G i C)

:Taq polimeraza (DNA polimeraza dobivena iz bakterije Thermus aquaticus otporna na visoke temperature)

:pufer u kojem se odvija reakcija

5’ CGA TTC TGT AGA GAC TGC AGT ……..CCT GCT AGA CAG TCA GGT CAT GGA 3’3’ T GTC AGT CCA GTA CCT 5’ PRIMER

PRIMER 5’ CGA TTC TGT AGA GAC T3’3’ GCT AAG ACA TCT CTG ACG TCA ……..GGA CGA TCT GTC AGT CCA GTA CCT 5’

5’3’

3’5’

DNA predložak (template) iz kojeg se želi izdvojiti gen

željeni gen

PCR je ciklički proces u kojem se nekoliko različitih koraka ponavlja obično nekoliko desetaka puta (40 puta npr.). To su slijedeći koraci:

1.dvostruka molekula DNA se denaturira visokom temperaturom

(razdvoje se lanci),

2."primeri" ili početnice naliježu na 3' krajeve ciljanog segmenta DNA koji se želi amplificirati,

3.DNA polimerazakatalizira sintezu novih komplementarnih lanaca.

Proces se odvija u aparatu koji se zove thermalcycler

Sve komponente se pomiješaju u malojepruveti (0.5 ml)

KROMOSOMSKA OSNOVA NASLJEĐIVANJA

CITOGENETIKA - hibridna znanost –koristi se saznanjima iz citologije i genetike

proučava: stanicu i njene organele, ponašanje kromosoma u staničnim diobama;porijeklo kromosoma značaj kromosoma za prijenos i kombiniranje

nasljednih svojstava

STANICA I STANIČNE ORGANELE

Stanica - osnovna jedinica života,grañevna i funkcionalna struktura kod svih živih organizama

• svi živući organizmi sastoje se od stanica• stanice mogu nastati samo iz postojeće stanice

Stanice imaju svojstva života: mogu živjeti same neovisno,u njima se odvija metabolizam, razmnožavaju se i žive u okolini

Vrste (tip) stanica: Prokariotske (nemaju organiziranu jezgru)i Eukariotske (imaju jezgru i kromosome)

Dva osnovna tipa stanica

Prokariotska stanica

Eukariotska stanica

Razlike izmeñu Prokariota iEukariota

Veličina biljnih stanica: 10 - 100 µm, 2 µm - bakterije50-70mm- koprive, neke mlječike

Red and white blood cells above vessel-forming cells.

A person contains about 100 trillion cells. That’s 100,000,000,000,000 or 1 x 1014 cells.

Svaka osoba sadrži oko 100 trillion stanica. To je 100,000,000,000,000 ili 1 x 1014 stanica.

Postoji oko 200 različitih tipova stanica kod sisavaca.C

ells are tiny, measuring on averageStanice su male, oko 0.002 cm (20 um) promjera.

Crvene i bijele krvne stanice

Nervna stanica

Struktura stanice i njezinih organela:Eukariotska st.

1. stanična membrana2. citoplazma s organelama3. jezgra s kromosomima

Organele biljne stanice-stanična membrana (plazmalema)-stanična stijenka*-jezgra-mitohondriji-plastidi*-ribosomi-golgijev aparat- diktiosomi-endoplazmatski retikulum (ER)-vakuola*-centrosomi-periksosomi

*Podvučeno -posjeduju samo biljne ili samo životinjske stanice

Organele životinjske stanice-stanična membrana

- jezgra-mitohondriji

- ribosomi-golgijev aparat-endoplazmatski retikulum-lizosomi*-centrosomi-peroksisomi

Biljna stanica

Životinjska stanica

Životinjske i biljne stanice

imaju više sličnosti nego razlika

Stanična stjenka, kloroplasti i vakuolesu organele koje ima samo biljna stanica

Stanična anatomija

Zadaci organela u staničnoj strukturi .

Sabirne linije

Distribucijski centar

“radnici”

“čistači”

“Energetske centrale”

“Mozak stanice”

Stanične strukture

Stanična stjenka - imaju je samo biljne stanice- grañena je od celuloze i lignina- održavaju oblik stanica (čini kostur biljnih stanica)- kroz staničnu stjenku prolaze plazmodezme -kanali u staničnoj stjenci pomoću kojih susjedne stanice komuniciraju

Stanična membrana - grañena od proteina i lipida- propusne su i kontroliraju difuziju iona i molekula izmeñu stanica - omogućuju komunikaciju izmeñu stanica

Citoplazma stanice sadrži:- 10% globularnih proteina, ATP, ADP, enzime, masti, ugljikohidrat- izmeñu jezgre i st. membrane nalazi se citosol (tekući dio

citoplazme u kojem se nalaze stanične organele)

Stanična stjenka kod biljaka –omogućuje visoki rast šumskih stabala

Vakuola- “stanične šupljine”-spremište stanice (starije stanice)- mogu ispunjavati i do 90% volumena biljnih stanica- napunjena vodenom otopinom i ostalim topivim tvarima- osigurava turgor stanici

uvenuto

svježe

Centralna vakuola kontrolira turgor

Endoplazmatski retikulum

Predstavlja komunikacijski sistem izmeñu jezgre i citoplazmestanice

Postoje dva tipa ER : 1. Granulirani ER2. Ne-granulirani ili glatki ER

Brzina sinteze proteina u nekoj stanici ovisi o razgranatosti ER

Endoplazmatski retikulum

1. Granulirani ER- na njemu su smješteni ribosomipovezan je s membranom jezgre,

sinteza i transport proteina u stanici,

2. Ne-granulirani ili glatki ER- (kanali i cisterne bez ribosoma)• metabolizam masti za izgradnju staničnih membrana,• detoksikacija alkohola i drugih lijekova,• transportira lipide i proteine izvan stanice

(većina stanica ima malo glatkog ER osim stanica jetre)

Granulirani Endoplasmatski Retikulum

Funkcija

Sinteza proteina

Transport proteina(razmjena)

Golgijev aparat

Golgy (1898.) – proučavajući nervne stanice uočioblizu jezgre sistem membrana (paralelni spljošteni nizovi koji su poredani u ravne ili savijene snopove sa brojnim malim mjehurićima)

Funkcije: sudjeluje u metabolizmu masti, ugljikohidratai transportu proteina iz stanice;pročišćava stanične produkte; Sudjeluje pri izlučivanju gliko-proteina; gradi lizosome

- 25000/stanici- najviše u stanicama

za izlučivanje

Smještaj u stanici Endoplazmatskog retik.i Goñijevog ap.

Lizosomi- imaju ih samo životinjske i ljudske stanice- veličina 0.5-1.05 µm - oblik okruglast - organele koje imaju jednu biomembranu- u unutrašnjosti lizosoma smješteni enzimi -hidrolaze

koje razgrañuju velike molekule, ali i štetnepatogene (bakterije, viruse)

- imaju zaštitnu ulogu u stanici- sadrže najmanje 50 različitih enzima

Peroksisomi- razgradnja toksičnih peroksidaza koje nastaju kaorezultat kemijskih reakcija u stanici organizma

Lizosomi

Funkcije:

Probava hrane ili staničnih uljeza (bakterija, virusa)

Reciklira stanične komponente (istrošene mitohondrije)

Razgrañuje - izumrle stanice

Mitohondriji- oblik može biti: jajast, okrugli, rijetko nitast- biomembrane:*vanjska ravna glatka, povezana s membranom stanice*unutrašnja "naboranu" membranu tzv. "cristae“(lat. crista-kresta)

- matrix- sitnozrnaste grañe (Mg i Ca soli), ribosomi sitni

Funkcije: stanično disanje(eukarioti)- Krebsov ciklus(završni ciklus aerobne

razgradnje do CO2 i H2O)- stvaranje ATP (izvor energije koja se stvara razgradnjom ugljikovih spojeva),- sadrži vlastitu DNK

Mitohondrij

PLASTIDI:Kloroplasti – zelena bojaKromoplasti - imaju različite bojeLeukoplasti - nemaju boje

1. Kloroplasti

• promjer 2,5 nm, duljina 6-8 nm•dvostruka membrana• sadrži vlastitu DNK•mjesto fotosinteze (klorofil)

stvaranje škroba• konverzija sunčeve energije u

kemijsku (hrana)• stroma-enzimi-upotreba CO2 za izgradnju jednostavnih šećera• sadrži fotosintetski pigment klorofil koji apsorbira svjetlost

KloroplastZamislite kloroplast kao solarnu ploču biljke cell.

Ribosomi• veličina 15-35nm• ribosomi se sastoje od rRNK i proteina- oblik dvije podjedinice:

veća i manja nastaju u jezgrici (nukleolusu), • spajanje veće i manje podjedinice dogaña se u citoplazmi- funkcija - sinteza proteina

Ribosomi i Endoplasmatski Retikulum

JEZGRA

JEZGRAlat.nucleus

Centralni dio (mozak) stanice; kontrolira sve metabolitičkeprocese stanice

R. Braun (1833)- otkrio jezgru u lišću orhideje1. najvažnija organela u stanici (promjer do 5 nm)2. sadrži kromatin (DNK s proteinima)3. jezgricu (nukleolus) - jednu ili više 4. membrane - (dvostruke) okružuju jezgru i

dijele je od citosolavanjska membrana jezgre povezana s ER, sadrži pore-

izmjena tvari izmeñu jezgre i citoplazme

Kromatin- u funkcionalnom smislu predstavlja sve što setijekom diobe nalazi u KROMOSOMIMA

Kontrolni centar stanice

Dva metra ljudskeDNA smješteno je u jezgru.

JEZGRA

KROMOSOMI EUKARIOTA

- kromosomi se sastoje od DNK i proteina• kromosomi su strukture u jezgri stanice u kojima se nalaze geni- geni (odsječci DNK smjera 3-5) su u kromosomima linearno poredani• kromosomi su fizički prenosioci gena iz generacije u generaciju

Kromosom(nakon udvostručenja)

Kraci kromosoma

centromera

Udvostručenje Interfaza - S period

* kromosomi su otkriveni 1882. god. (C. von Nageli), * ime kromosom dobili 1888 (W. Waldeyer)Nukleoproteinski materijal od kojeg se sastoje kromosomi zove se kromatin.

Gwen V. Childs, Ph.D.URL Address: http://cellbio.utmb.edu/microanatomy

Eukromatin je manje kondenziran oblikkromatina,

Heterokromatin više kondenziran oblikkromatina

*U interfazi (vrijeme izmeñu dviju dioba), kromosomi se nalaze rasporeñenipo jezgri stanice i nemoguće ih je razlikovati

kromosomi

Prosječna dužina DNK mol. jednog ljudskog kromosoma iznosinešto manje od 5 cm,

a promjer jedne ljudske stanice 10-30 µm (1 µm = 10-6 m).U svakoj diploidnoj ljudskoj stanici nalazi se 46 kromosoma x

≈5 cm ⇒ ≈ 2 m DNK

Ove veličine govore da DNK u eukariotskom kromosomu morabiti na neki način vrlo kompaktno pakirana da bi stala u stanicu (štoviše u jezgru stanice)

To pakiranje odvija se pomoću proteina koji se nazivajuHISTONI

DNK je “najopuštenija” u interfazi (prije replikacije), a najgušćepakirana (kondenzirana) u metafaznom kromosomu

Metafazni kromosom

Na prikazani način se od nekondenziranog kromatina dobijemetafazni kromosomi

kroz svaki kromosom proteže se jedna molekula DNK,a kad je kromosom udvostručen svaka kromatida sadrži po jednuDNK molekulu (+proteine)Svaki kromosom ima centromeru ili primarno suženje,

Graña kromosoma

Figure 23-38, p. 1094, Molecular Cell Biology, 3rd ed., Lodish, et al., copyright 1995, W.H. Freeman and Company

Sekundarno suženje

Kromosomi mogu imati i sekundarno suženje, a diokromosoma od sekundarnog

suženja do kraja zove se satelit

na površini centromere nalazise proteinska struktura koja se

zove kinetohora pomoću koje sekromosomi vežu za niti

diobenog vretena

Parametri za morfologiju kromosoma1. Položaj centromere2. Veličina kromosoma3. Posjedovanje satelita

Obzirom na položaj centromere kromosome dijelimo na: jednokrake i dvokrakeJEDNOKRAKI: telocentričan, 0:1 (omjer krakova) DVOKRAKI: metacentričan, ≈ 1:1

submetacentričan, ≈ 1:1.3subtelocentričan, ≈ 1:3akrocentričan, ≈ 1:7

telocentričanmetacentričan

submetacentričan

subtelocentričanakrocentričan

Broj, veličina i oblik kromosomavariraju od vrste do vrste, ali su konstantni za istu vrstu

Vrsta Brojkromosoma

Čovjek 2n=46Gorila 2n=48Komarac 2n=6Petunia 2n=14Grašak 2n=14Jabuka 2n=34Rajčica 2n=24Krumpir 2n=48Leća 2n=14Kukuruz 2n=20

Kod svih diploidnih organizamadva po dva kromosoma sujednaka - homologni kromosomi

Homologni kromosomi sumorfološki isti kromosomi, nose gene za ista svojstva i potječujedan od oca, jedan od majke.

par homolognihkromosoma

Kromosomi, geni, aleli

aleli gena linearno su smješteni u kromosomimaAlel- mogući oblik genaDiploidni organizmi (2n) imaju 2 alela

Čovjek (žena, muškarac) 2n=46 kromosoma u tjelesnim stanicama44 (22 para) autosoma ili tjelesnih kromosoma2 (1 par) alosoma ili spolnih kromosoma ⇒ žene xx, muškarci xy

Kariotip= skup svih kromosoma u stanici kakoih vidimo u metafaziKariogram= metafazni kromosomi fotografirani,

izrezani i poredani po veličini u parovima

Kariogram žene

Kariogram muškarca

Genom je skup kromosoma odreñene vrste u kojem se svaki pojedinačnikromosom samo jedanput pojavljuje. To je zapravo skup kromosoma kakav je u haploidnim stanicama (gametama).

HAPLOID je stanica koja ima jedan set kromosoma (genom) ili organizam koji sesastoji od takvih stanica

DIPLOID je stanica koja posjeduje 2 seta kromosoma (genoma), jedan odoca jedan od majke, ili organizam koji se sastoji od takvih stanica.

Haploidna stanica iliorganizam

Diploidna stanica iliorganizam

MITOMITOZAZA, ME, MEJOZA I JOZA I REPRODUREPRODUKCIJAKCIJA

Stanični ciklus- stvaranje nove stanice (Interfaza, kariokinezai citokineza)

Stanična dioba1. Mitoza – dioba vegetativnih (tjelesnih) stanica

• različite faze mitoze:profaza, metafaza, anafaza, telofaza

2. Mejoza – dioba nakon koje nastaju spolne stanice (gamete)• različite faze mejoze (8)

• Komparirati: mitozu i mejozu• uloga mejoze u seksualnoj reprodukciji

Zašto je važna stanična dioba?Životni ciklus svih živućih organizama: roñenje, rast i razvoj,

razmnožavanje i smrt

Pojedine stanice imaju takoñer životni ciklus!(nastaju iz postojeće stanice, rastu, razmnožavaju se i umiru)

25 mil. staničnih dioba dogaña se u tvom tijelu SVAKE SEKUNDE!!!

Bolesti kao što je rak (karcinom): Tada je dioba stanica brza…(pola miliona smrti/godišnje!)

-rast (od začeća do završetka rasta i razvoja)-obnova tkiva i organa – npr. zacjeljivanje rana

Što se dijeli ? Stanica? Kromosomi?Citoplazma ?

Kromosomi:nose gensku poruku (DNK):čovjek u stanici ima 2m DNK….nose sve gene organizma…

Gen: osnovna jedinica nasljeña, sadrži poruku za stvaranje jedne mRNA i obično jednog proteina

prosječno 30,000 gena/čovjek i biljka

• kondenzirana DNK i proteini (Kromatin) vezani zajedno

Struktura kromosoma:

• svaki kromosom sastoji se od dvije kromatide (dupli lanaci DNK)• sestrinske kromatide vezane su zajedničkom centromerom.

par homolognihkromosomaprije udvostručenja

Meristemi kod biljaka

Shoot Apical MeristemSAM

Root Apical MeristemRAM

Rast stanice i stanična dioba

Stanična dioba: proces u kojem od jedne stanice nastanu dvije.

Ima dva dijela:1. dioba stanice = dioba jezgre

2. dioba citoplazme dogaña se u kasnijim fazama mitoze

mitosis cytokinesis

STANIČNI CIKLUSVrijeme mjereno od početka diobe jedne stanice do početka diobe slijedeće stanice

Počinje sa stvaranjem nove stanice od već postojeće:Dvije faze:

Interfaza – tri faze: (G1, S, G2)Mitoza – četiri faze: Profaza, anafaza, metafaza, telofaza

Većina vremena (90%), stanica je u interfazi ( miruje- ne dijeli se)Citokineza - dioba citoplazme i organela Mitoza

Interfaza

Priprema za diobu stanice dogaña se uinterfazi (Interfaza nije dio mitoze)Interfaza – stanica metabolički aktivna

Tri faze: G1 (gap 1)S (sinteza)G2 (gap 2)

G1 faza:(prvi prekid) period intenzivne biološke aktivnosti:

1. stanica brzo raste, 2. organele se dijele, 3. odvija se sinteza proteina,4. disanje, itd.

STANIČNI CIKLUS

Interfaza

Faze u Interfazi

S faza: (sinteza) DNK se udvostručuje

G2 faza: (Drugi prekid) - povećana sinteza proteina i priprema stanice za diobu- kraj G2 faze je - početak diobe stanice(mitoza)

MITOZAMitoza je proces diobe jezgreSastoji se od 4 faze:

1. Profaze2. Metafaze3. Anafaze4. Telofaze

Faze mitoze

mitosis

Profaza

• kromatin (DNK+ proteini) se kondenzira• kromosomi postaju vidljivi• jezgrica- se gubi (nestaje)• nestaje membrana jezgre

• počinje stvaranje diobenog vretena• diobeno vreteno: grañeno je od mikrotubula koje vežu kromosome u području centromere i polove stanice• Mikrotubule = vlakna slična mišićnim)

2n=4

Metafaza

Mikrotubule (MT) dotiču sestrinskekromatide

MT – povlače kromosome u sredinu stanice

• kromosomi su na ekvatorijalnoj ravnini• svaka centromera je vezanana diobeno vreteno (mikrotubule)

• stanica ima dva pola

Kromosomi: udvostručeni- smješteni u ekvatorijalnoj ravninimogu se pojedinačno promatrati i brojati

Anafaza

• sestrinske kromatide odvajaju se u području centromere

• MT – povlače sestrinske kromatide (kromosom) na pol stanice-svaka kromatida sada je kromosom

• MT – nastavljaju produžiti stanicu- pomaže odvajanju kromatida

• genetski materijal podijeljen je u dva identična i jednaka dijela

Rana anafaza

Kromosomi- počinju kretanje prema polovima stanice

Dioba centromereKromatide postaju kromosomi

Kasna anafaza

2n=42n=4

Telofaza

• stvaraju se jezgrine membrane (2)• kromosomi se odvijaju i produžuju: • vidljive dvije odvojene jezgre- kasna telofaza• stvara se jezgrica

2n=4 2n=4

Citokineza kod biljaka

• citoplazma sa organelama (ER, GA) dijeli se u dvije nove stanice• citokineza počinje na kraju anafaze i završava u

kasnoj telofazi• stvara se stanična stjenka koja dijeli u dvije odvojene stanice

anafaza

Stanice 2n=4

Rezultat jedneMitoze je dvijestanice kćeri sa 2n=4 krom.

G1, S, G2periodi

profaza metafaza

telofaza

Svrha:• rast i obnova u višestaničnim organizmima• aseksualna reprodukcija kod mnogih organizama (vegetativno razmnožavanje)

MITOZA

• kopiranje staničnih DNK i odvajanje kopija,• identična DNK kopija odlazi u novu stanicu• mitoza se dogaña u tjelesnim stanicama životinja i čovjeka

PojmoviMitoza = dioba stanične DNK i jezgreCitokineza = dioba citoplazme stanice i staničnih organela

SVRHA MITOZE

Stvoriti dvije stanice sa:

- diploidnim brojem kromosoma (u kojima je isti genetski materijal)

- broj kromosoma svojstven vrsti: Čovjek 2n =46, pšenica 2n= 42, kukuruz 2n=20,

većina biljaka ima od 20-40 kromosoma

ENDOMITOZA - poremećena uobičajena mitoza, nema diobe jezgre stanice

a) ENDOPOLIPLOIDIJA - produkti udvostručenja podjele, ali ostaju u istoj stanici

broj kromosoma može biti povećan i do 16× (koštana srž,stanice jetre)

2n=4 2n=8

b) POLITENI KROMOSOMI – kromosomi se udvostruče ali ostaju vezani u području centomera

gorostasni kromosomi u stanicama sluznice nekih kukaca

2n=4 2n=4Dioba

MEJOZA• proces u kojem se reducira broj kromosoma (sa 2n na n)svrha mejoze je stvaranje gameta

Gameta: Haploidna spolna stanica (ženska ili muška) sposobna za oplodnju

Zigota: oploñena jajna stanicaHomologni kromosomi: par kromosoma koji nose gene za ista svojstva, morfološki isti, potječu jedan od oca a drugi od majke• proces mejoze: dvije uzastopne diobe stanice

jedna dioba kromosoma• kromosomi se reduciraju u prvoj mejotičkoj

diobi

Diploidna stanica= u njoj postoje 2 kopije svakog tipa kromosoma (2n): Jedna kopija od oca druga od majke

Haploidna stanica = u njoj postoji 1 kopija svakog kromosoma (n)

Mejoza se odvija u 8 faza

MEJOZA

Mejoza I Mejoza II

Profaza I Profaza IILeptoten Metafaza IIZigoten Anafaza IIPahiten Telofaza IIDiplotenDiakineza

Metafaza IAnafaza ITelofaza I

PROFAZA I

• Slična profazi u mitozi, osim sinapsisa,• sinapsis – proces povezivanja homolognih kromosoma

• kromatin � kromosom, nestaje jezgrina membrana

• kromosomi su udvostručeni (udvostručenje se dogodilo uS periodu Interfaze I

• Vidljive tetrade -par udvostručenih homolognih kromosoma• dogaña se crosing over- homolgni kromosomi

izmjenjuju dijelove (DNK)

• Rezultat izmjene- stvaranje nove kombinacije DNK• Nastaju kromosomi koji imaju kombinaciju dijela DNK od majke

i dijela DNK od oca

MEJOZA I

PROFAZA I ( 5 podfaza):Leptoten- kromosomi - genetski materijal (DNK) je dupliciran- spiralizacija udvostručenih kromosomaZigoten

- sinapsis → povezivanje homolognih kromosomaduž kromatida

- povezivanje je vrlo precizno, dijelovi homolognihkromosma se vežu čvrstim vezama (hijazma)

nastaju bivalenti - parovi udvostručenih homolognih kromosomaPahiten- Crossing over- izmjena homolognih dijelova homolognih kromosoma nesestrinskih kromatidaDiploten- homologni kromosomi se odvajaju u području centromere- popušta jakost hijazmiDiakineza-kromosomi kraći, drže se u terminalnim hijazmama

co= izmjena homolognih dijelova homolognih kromosoma nesestrinskih kromatida

C.o. – predstavlja proces koji je izvor varijabilnosti,a kao rezultat ima povećanje raznolikosti u biljnomi žvotinjskom svijetu

METAFAZA I

• homologni kromosomi (bivalent)nalaze se u ekvatorijalnoj ravnini

• diobeno vreteno dotiče centromeru kromosoma i povlači ga usredinu stanice (ekvatorijalna ravnina)

ANAFAZA I

• odvajanje udvostručenih homolognih kromosomaiz bivalenta i odlazak na polove stanice (na svaki pol putuje

jedan udvostručeni kromosom iz homolognog para)

• kromosomi putuju od ekvatorijalne ravnine prema polovima

Mikrotubule (MT) - koje se protežu od pola do pola (produžuju stanicu) i pomažu kretanje

kromosoma prema polovima

- reducira se broj kromosoma 2n--2 x n (od stanice koja je imala 2n kromosoma nastale su dvije stanice koje imaju po n kromosoma)

- slučajna raspodjela kromosoma na polove (prema roditeljskoj pripadnosti)

Slučajna raspodjela kromosoma na polove

1 2 3 4

U neovisnoj raspodjeli stvara se 2n različitih gameta, gdje je n = broj haploidnih kromosoma.

Kod čovjeka, n = 23 i 223 ≈ 8,000,0000 različitih gameta može biti stvoreno, koja kombinacija kromosoma će biti u kojoj gameti sasvim je slučajno

• udvostručeni kromosomi iz bivalenta putuju prema polovima stanice• iz svakog bivalenta po jedan udvostručeni kromosom odlazi na pol stanice

ANAFAZA I

Razlike izmeñu anafaza- A mitoze i AI mejoze

Mejoza

Mitosis

Mitoza

TELOFAZA I

Kasna telofaza- stvara se membrana jezgre, kromosomi integrirani u jezgri

TELOFAZA I• kromosomi na polovima• stvaranje membrane jezgre• svaka stanica ima jedan homologni kromosom (udvostručen)

od svakog homolognog para• citokineza se dogaña u stanici• stanica podijeljena u dvije nove stanice

( svaka i ma polovičan broj kromosoma)

Kraj MEJOZE I• kromosomi u svakoj stanici imaju po dvije sestrinske kromatidepovezane centromerom• sestrinske kromatide nisu iste u dijelu gdje se dogodio crossing –over (izmjena dijelova kromosoma)• broj kromosoma je haploidan (u svakoj od novonastale dvije stanice)• broj centromera – odgovara broju kromosoma

Mejoza I

MEJOZA II

PROFAZA IIdogaña se u DVIJE stanice koje su nastale u procesu mejoze IKromosomi kraći i tanjiMembrana jezgre nestaje

niti diobenog vretena dotiču kinetohore (centromere)(zapamtimo kromosomi su još uvijek udvostručeni)

METAFAZA II• kromosomi (udvostručeni) u ekvatorijalnoj ravnini• Kromosomi nemaju identične kromatide zbog c.o.• niti diobenog vretena dotiču centromere

ANAFAZA II• odvajaju se centromere• sestrinske kromatide � postaju kromosomikoji putuju na polove

TELOFAZA II• stvara se jezgra oko seta kromosoma• stvara se jezgrica u svakoj jezgri• kromosomi se produžuju i postaju slabije uočljivi

Na kraju, CITOKINEZA se dogaña (počinje krajem anafaze

završava u telofazi)• stvorene 4 stanice (gamete) s polovičnim brojem kromosoma

ZAPAMTITI

Nakon mejoze

• broj kromosoma = haploid = n• 4 stanice sa n kromosoma (gamete)• kromosomi iz homolognog para slučajno su rasporeñeni

u nove stanice• dogodio se c.o.• sve gamete imaju kompletnu haploidnu informaciju

Mejoza – predstavlja izvor varijabilnosti kod organizama koji se spolno razmnožavaju•Varijabilnost je omogućena zahvaljujući

1. crossing-over (P I - pahiten)2. slučajna raspodjela kromosoma (A I)

Mejoza II

Usporedba mitoze i mejoze

MITOZA:Proizvodi: tjelesne staniceDioba stanice: diploid - diploidBroj dioba: jednaBroj stanica: 1 majčinska - 2 stanice kćeri

MEJOZAProizvodi: gameteDioba - redukcijska: diploid - haploidBroj dioba: dvijeBroj stanica: 1 majčinska - 4 stanice kćeri

(gamete)

Profaza, Anafaza mitoze, anafaza I i anafaza II mejoze

Značajke MITOZE I MEJOZE

MITOZA• ekvacijska dioba -razdvajanjesestrinskih kromatida

• jedna doba po ciklusu

• nema sinapsi, hijazmi ni c.o.

• genetički produkti mitoze su identični• dvije stanice kćeri po ciklusu• broj kromosoma isti kao u majčinskoj

stanici• produkti mitoze mogu opet ulaziti u

mitoze• dogaña se u tjelesnim stanicama

• počinje u zigoti i odvija se u toku života

MEJOZA• prva dioba redukcijska (odvajanje homolog krom, druga ekvacijska

• dvije diobe po ciklusu

• dolazi do sinapse, stvaraju se hijazmeizmjenjuje se gen. mater. (co)• genetički produkti različiti• četiri stanice po ciklusu• broj kromosoma u stanicama kćerireduciran na pola od broja u majč.st.

• produkti mejoze ne mogu se opet dijeliti mejozom ali mogu mitozom• dogaña se u specijaliziranim stanicama u posebnim organima

• počinje kad je organizam spolno zreo

Mitoza –ekvacijska dioba Mejoza –redukcijska dioba

Diploid (2N)Diploid (2N)

Diploid (2N) Haploid (N)

Diobe stanica

Profaza IPahiten -crossing-over

A I

A II

Mejoza je izvor genetske različitosti

Neovisna raspodjela kromosoma u gamete

Moguće raspodjele kromosomau gamete s obzirom na roditeljskupripadnost

CITOPLAZMATSKO NASLJEĐIVANJE

Citoplazma- genetička uloga- prijenos nekih nasljednih osobina• majčinski učinak• neke svojstva kontrolira DNK koja se nalazi:

1. Mitohondriju (mtDNK)2. Klorofilu (cpDNK)

Mitohondrij - mtDNK replicira se neovisno od DNK jezgre• dvolančana kružna molekula - odgovorna za sintezu

proteina mitohondrija• svojstva vezana uz funkciju mitohondrija

(rast i metabolizam ATP-a)• kod sisavaca prenosi se citoplazmom majčinskih gameta

Kloroplast - cpDNK – nosi informaciju za sintezu nekih proteina kloroplasta

kloroplasti nisu potpuno neovisni o jezgri- većina njihovih proteina kodirana je genima jezgreKod 2/3 viših biljaka-prenosi se preko majčinskih gametamajčinski učinak - nasljeñivanje šarolikosti listova kod noćurka

M.jalapa

Gametogeneza

Gametogeneza je proces stvaranja gameta; obuhvaća mejozu i postmejotičkediobe.

Gamete su muške ili ženske spolne stanice s haploidnim brojem kromosomasposobne za oplodnju.

Proces stvaranja gameta kod životinja i čovjeka naziva se spermatogeneza i oogeneza,

a kod biljakamikrosporogeneza (proces nastanka muških gameta)i makrosporogeneza (proces nastanka ženskih gameta).

Gametogeneza kod biljakaMikrosporogeneza- u prašnicimaMakrosporogeneza- u tučaku

Mikrosporogeneza

U prašnicama (anthera) razvija se puno diploidnih stanica -mikrosporocite (majčinskestanice polena) koje ulaze u mejozu. Nakon druge mejotičke diobe od jedne majčinskestanice polena nastanu 4 haploidne stanice tetrade koje se razdvajaju i postajuMIKROSPORE.

Mikrospore još nisu polenova zrnca, već da bi to postale moraju proćipostmejotičke diobe; kod mikrosporogeneze to su dvije mitotske diobe.-nakon prve mitotske diobe ⇒2 jezgre-jedna jezgra ulazi u još jednu mitotsku diobuNakon druge mitotske diobe nastane POLENOVO ZRNCE s dvije generativne (spermalne) i jednom vegetativnom jezgrom.

nn

n

Generativne ili spermalne jezgre(muške gamete)

Vegetativna jezgra

Polenovozrnce

Makrosporogeneza (megasporogeneza)

U plodnici tučka nalazi se sjemeni zamtak (jedan ili više - ovisno da li je plod kasnije jednosjemeni ili višesjemeni) u kojem se izdvaja samo jedna stanicamegasporocita ili majčinska stanica embrionalne vreće.Ova stanica prolazi mejozu te nastanu četiri haploidne staniceMEGASPORE (makrospore).

Kod većine viših biljaka 3 megaspore propadaju, a samo se jedna postmejotičkimdiobama razvija dalje u EMBRIONALNU VREĆU.Haploidna megaspora prolazi kroz tri mitoze, nakon čega nastaje embrionalna vrećas 8 haploidnih jezgara. Dvije od osam jezgara fuzioniraju i čine tzv. sekundarnu jezgru

EMBRIONALNA VREĆA

n

n

antipode

sekundarna jezgra

jajna stanica

sinergide

n n

n n

n n

Ženske gamete

Oplodnja kod biljakaje dvostruka

-jedna spermalna jezgra polenovog zrna oplodi jajnu stanicu ⇒ zigota⇒embrio (diploidan 2n)

-druga generativna jezgra polenovog zrna oplodi sekundarnu jezgru⇒ endosperm (triploidno staničje 3n)

2n

3n

Gametogeneza kod čovjeka i životinjaOogeneza- u jajnicimaSpermatogeneza – u testisima

Spermatogeneza i oogeneza

3. PROMJENA STRUKTURE I FUNKCIJE (mutacije)- sposobnost mijenjati se ali bez promjena uobičajene funkcije - organizmi su sposobni za prilagodbu na različite uvjete uzgoja (evolucija)

MUTACIJE GENETSKOG MATERIJALA

Mutacije -iznenadne i trajne promjene nasljednog materijala koje se prenosi na potomstvo.Geni se mogu mijenjati (mutirati) u tjelesnim i spolnim stanicama.

Podjela mutacija:1. Morfološke mutacije su vidljive promjene oblika, veličine boje

cvijeta, lista kod biljaka, oblika i veličine krila kod vinske mušice.

2. Letalne mutacije su posljedica promjene u genu koja dovodi do smrti organizama.

3. Štetne mutacije su promjene koje smanjuju sposobnost preživljavanja.

4. Korisne mutacije su poželjne promjene koje se uočavaju u poboljšanju svojstva, stvaranje više proteina u zrnu,esencijalnih aminokiselina, vitamina,korisne omega masti

5. Biokemijske mutacije su promjene u mehanizmu stvaranja aminokiselina, enzima, posljedica npr.-uroñene mane kod ljudi (fenilketonurija- organizam nema sposobnost razgradnje fenilalanina do vode i ugljičnog dioksida, Kod bolesnih ljudi zaustavi se razgradnja i akumuliraju se fenilketonali drugi derivati)

6. Kondicijske mutacije su promjene koje omogućuju organizmu da može preživjeti i u drugoj okolini

Mutacije

Genske mutacije – proizvodnja hrane- nove biljne vrste

Canola CauliflowerUljana repica karfiol

slk

Mutacijom nastaju različiti oblici i boje latica kod cvijeća(u sredini je divlji tip u krugu susvi koji su nastali mutacijom gena

Mutacija gena koji kontrolirapoložaj uške kod mačke (uške zavije prema natrag-rezultat mutacije gena)

Mutacijska frekvencija i mutacijska rata

Mutacijska frekvencija - je učestalost mutiranih organizamau populaciji stanica ili organizama.Populaciju stanica mogu predstvljati: gamete, spore.(frekvencija po gameti, frekvencija po aseksualnoj spori).

Mutacijska rata – je mjera osnovne tendencije mutiranja gena Izražena kao broj mutacija koje se dogode u jedinici mjerenja(mutirani geni u vrijeme replikacije gena, mutirane stanicepo staničnoj diobi)

Mutacija jednog gena koji je zračen jednim rendgenom dogaña se u frekvenciji 10-8 (promjena jednog gena na 100 milijuna gena)

Čimbenici o kojima ovisi učestalost (pojavnost) mutacija.

1. Veličina gena - u standardnim uvjetima geni mutirajurazličito (dulji geni - veća mogućnost mutiranja)

2. Genotip - gen R---r sorta Corel, tri puta veću učestalost mutacija nego kod sorte Columbia

3. Pokretni elementi - transpozoni; vrlo kratke sekvence DNA, kreću se iz jednog dijela kromosoma u drugi, ugrañuju se u gen i izazivaju mutacije

4. Visoke temperature - povećavaju mutacijske obroke

5. Mutagensi - agensi okoliša (kemikalije)

Geni istog organ. imaju različitu frekvenciju mutacija

Mutacije mogu biti izazvane (potaknute):

1. Elektromagnetskim zračenjem kao što su ionizirajuće X i gama zrake ili ne ionizirajuće UV zrake.

2. Korpuskularnim zračenjem koje mogu proizvesti λ i ß zrake.

3. Kemijskim mutagensima koji mogu biti:dušična kiselina (HNO2),hidroksilamin (NH2OH), alkilni agensi (EMS- etilenmetanosulfat, NG-nitrozogvanin),bazni analozi (5BU- 5-bromouracil, 2AP-2-aminopurin), akridini, antibiotici

4. Drugim uzročnicima kao što su virusi, zatim duhanski dim, visoka temperatura.

Mutacije po načinu dogañanja mogu biti - spontane- potaknute ili inducirane

• Frekvencija mutacija ovisi o dozi i trajanju izloženosti organizma djelovanju izabranog sredstva koji će proizvesti mutaciju.

• Svaka vrsta organizma ima svoju letalnu dozu, kod koje 50% organizama koji su bili izloženi tretmanu koji potiče mutacije) ugiba u vremenu od 30 dana.

• Organizmi na višem stupnju razvoja (čovjek i životinje) osjetljivije su na zračenje od biljaka.

MUTACIJE GENA I PROTEINA

1. Mutacije na razini DNK2. Mutacije na razini proteina

1.Mutacije na razini DNK

• Genske mutacije “točkaste “- promjene u jednom genu čiji je rezultat nova pojavna forma tog gena (novi alel)

a. Adicija –dodatak jednog ili više nukleotidnih parova

b. Delecija – gubitak jednog ili više nukleotidnih parova

• Supstitucija baznih parova: u molekuli DNK • bazni par zamjeni se drugim baznim parom: A.Tranzicija i

B. Transverzija

A. Tranzicijske mutacije –• promjenu purinske i pirimidinske baze drugom purinskom i pirimidinskom;

AT u GC,GC-AT, TA -CG,CG-TA.

A

T

GC

B. Transferzijske mutacije –promjene jednog baznog para • purin- pirimidin drugim pirimidinom-purin;

AT--TA, CG - GC, AT--CG, GC-TA.

CG

GC

2. Mutacije na razini proteina

a. Smislene mutacije (missense)- mijenja se bazni par u DNK • promjena prouzrokuje promjenu u mRNK (novi kodon) kojiodreñuje drugu AK u proteinski lanac,

a-1. Neutralne mutacije (podvrsta smislenih mutacija)•promjena baznog para u genu mijenja kodon u mRNK čiji je rezultat supstitucija AK, • nema promjene koja bi bila uočljiva u funkciji proteina, • kada novi kodon kodira drugu AK koja je kemijski vrlo slična originalnoj i zato ne utječe na promjenu funkcije proteina(lys zamjenjen arg -AK koje imaju slična svojstva)

b. Nonsense mutacije

• promjena koja kodon za neku AK "mijenja“u stop kodon koji ćezavršiti sintezu proteina u čijem sastavu će biti manje AK

d. Tihe mutacije (Silent)

• promjena baznih parova u DNK (genu) • mijenja se kodon na mRNK ali kodira za istu AK u proteinu

e. Frameship mutacije•rezultat su dodatka ili gubitka jednog ili više baznih parova u genu(ali ne tri bazna para)

• promjena prouzrokuje drugačije “čitanje” mRNK i tada kodira za druge AK(što ima za rezultat drugačije AK u proteinskom lancu),

• u mnogim slučajevima mutacija obično rezultira u nefunkcionalnom proteinu .

• rezultat frameship mutacija može biti i čitanje stop kodonatada su protein dulji od uobičajenog (više AK u proteinskom lancu)

• mogu biti dodane AK u polipeptidni lanac poslije mjesta mutiranja (ako se dodaju N baze)

MUTACIJE KROMOSOMA

1. MUTACIJE U STRUKTURI KROMOSOMA

2. MUTACIJE U BROJU KROMOSOMA

Biološka važnosti promjene strukture kromosoma:

Strukture kromosoma služe za proučavanja:nove kombinacije genamapiranje (kartiranje) genautvrñivanje stvorenih novih rekombinacijei mutanta s novim svojstvima

Primijenjena istraživanja u poljoprivredi i mediciniEvolucijski opravdano jer se geni drugačije reorganiziraju

MUTACIJE KROMOSOMA1. MUTACIJE U STRUKTURI KROMOSOMA

(uključuje 2 procesa: prekid i ponovno spajanje)a) Premještanje dijelova kromosoma:

Inverzije – lom i preokretanje dijela kromosoma -rekombinacijegena u tom dijelu

Translokacije – premještaj dijela kromosoma – drugačiji poredak gena

b) Gubitak dijelova kromosoma:Delecije - nepovratni gubitak dijela kromosoma – gubitak gena

c) Dobitak dijelova kromosoma:Duplikacije - dodavanje dijela ekstra materijala- rezultat su

uočljive razlike koje su se dogodile u evoluciji kod neke vrste

Ekstra kromosomi- koji mogu nastati u staničnim diobama ne razdvojanjem i ostankom u istoj stanici

2. MUTACIJE U BROJU KROMOSOMAEuploidi – monoploidan set kromosoma povećan više od dva puta

Aneuploidi- manjak ili višak pojedinih kromosoma iz genoma

MUTACIJE U STRUKTURI KROMOSOMA

1. Premještanje genetskog materijala 2. Gubitak genetskog materijala

3. Dobitak genetskog materijal

MUTACIJE U STRUKTURI KROMOSOMA

DELECIJE

INSERCIJE

Gubitak jednog dijela kromosoma(gubitak gena koji su imali lokuse na tom izgubljenom dijelu krom.)

Ubacivanje dijela jednog kromosomau drugi (premještaj gena kojisu u tim lokusima)

INVERZIJE

DUPLIKACIJE

Dio kromosoma okrene se za 180 stup.i reintegrira u isti kromosomInverzije omogućuju:

novi poredak gen lokusaizvor polimorfizma kod vrsta

Kromosomski segment pojavljuje seviše puta

novi meñuodnosi vezanih gena

123

321

123

123123

TRANSLOKACIJE

Premještanje jednog dijela kromosoma u drugi kromosomili se premjesti taj dio na drugo mjesto istog kromosoma,- omogućen je poredak gena i meñuodnos izmeñu vezanih gena

Važnost translokacija u ljudskom djelovanju

Translokacijom postignuto npr.• suzbijanja štetnika (gubara, skakavaca), ubacivanjem sterilnih jedinki u populaciju (translocirani dio krom. za rezultat imali sterilnost)

Insercijom postignuto npr.• stvaranje sorti otpornih na bolesti npr. iz divljih srodnika ubačen dio kromosoma na kojem se nalazio gen koji kontrolira rñu i pepelnicu

sorta pšeniceTransec- otporna na lisnu rñu i pepelnicu (ima translociran dio kromosoma iz raži)

sorta Transfer – otporna na lisnu rñu(ima translokaciju kromosoma iz Aegilops umbellate)

MUTACIJE U BROJU KROMOSOMA

2 vrste promjena u kromosomskom setu:EUPLOIDI- monoploidan set kromosoma povećan više od dva putaANEUPLOIDI- smanjen ili povećan broj pojedinih kromosoma iz seta

ime oznaka konstitucija

Pojmovi

GENOM - ukupni genetski materijal jednog kromosomskog setaili- iznos genetskih poruka u haploidnom setu kromosoma

jednog organizmaKoliko diploidni organizam ima genoma?

Da li je genom kompletan? Koliko je stabilan?

KROMOSOMSKI SET- grupa različitih kromosoma koji nose osnovnu seriju genetskih informacija specifičnu za specijes

MONOPLOID- HAPLOID (AB- oznake za kromosome)• Organizam koji ima broj kromosoma (n) kao i gamete

- razvijaju se bez oplodnje iz jajne stanice ili polenovog zrna

Metode za dobivanje haploida kod biljaka:Kultura antera- razvoj haploidnog organizma iz polenovog

zrna u hranjivom mediju Bulbosum metoda- križanje izmeñu dvije vrste,(rezultat eliminacija genoma jedne vrste zbog

nehomolognosti)

Haploidi se koriste za: • stvaranje novih homozigotnih biljnih genotipova • Otkrivanje recesivnih alela• fundamentalna istraživanja stanice(npr. disanje,

metabolizami homozig. stanice)

EUPLOIDI

Monoploidi ekspresiraju recesivna svojstvaKultura monoploida – stvaranje dihaploida

DIHAPLOID- n x 2=2n, AABB (oznake A i B predstavljaju kromosome)• organizmi nastali umjetnim udvostručenjem kromosoma haploida(organizam koji ima samo AB kromosome- tretiran kolhicinom) dobiven• dihaploid je homozigotni organizam (u svim gen lokusima ima iste alele)

Dihaploidi se koriste za:• izdvajanje genotipova iz heterozigotnih populacija• dobivanje homozigota za gen lokuse kod samosterilnih vrsta• istraživanja strukture kromosoma i promjena u strukturi

DIPLOID – n+n=2n, AABB (oznake A i B predstavljaju kromosome)• diploidni organizmi nastaju kopulacijom očinske i majčinske gamete(AB +AB) • diploid-organizam heterozigotan u većini gen lokusa (ima različitealele u gen lokusima)

Poliploidi

Poliploidi –su organizmi kod kojih su svi kromosomi prisutni u tri i više kopije.

Poliploidi su prisutni i mogući kod biljaka ali rjeñe kod životinja

Poliploidi –zaslužni za evoluciju biljaka

Oko 35% cvjetnica (većina biljnih specijesa) nastalo je poliploidizacijom

Većina specijesa su Poliploidi

Poliploidi su veći od svojih diploidnih predaka (plod jagode -veći) diploidni predak (plod manji).

HexaploidŠest kromosomska sets

PentaploidPet kromosomska seta

TetraploidČetiri krmosomska seta

TriploidTri kromosomska seta

PolPoliiploidploidii = = euploideuploid organiorganizazam m s vis višše od dva e od dva setsetaa kromosmakromosma

POLIPLOIDIPOLIPLOIDI

POLIPLOIDI

• Poliploidni organizmi često su veći (robusniji)• Veće su stanice kod poliploida

Školjke

Stanice listaduhana

TRIPLOID - 2n+n=3n, AAABBB•nastaju križanjem tetraploida 4n (AAAABBBB) s diploidom 2n (AABB)

(fuzija gameta 2n+n=3n) (AABB +AB)---AAABBB• organizmi sterilni kao posljedica nepravilnog parenja kromosoma u mejozi• skup način dobivanja sjemena

Triploidne vrste koje se koriste: šećerna repa 3n=27, lubenica bez sjemenki 3n=33

Moguća parenjaIzmeñu krom.

TRIPLOID

• sterilni su (obično) zbog nepravilne raspodijele kromosoma u gamete• postoji nekoliko mogućnost raspodjele kromosoma na polove stanice

Triploidi zabilježeni u 68 različitih rodova, nedostatak čestone stvaraju sjeme, meñutim to je prednost kod banana, lubenica

Fusiom diploidne gamete s haploidnom stvaraju se triploidni organismi.

(1) “voće bez koščica” banane (3n = 33), grožñe i lubenica.

(2) Trave, vrtno cvijeće, poljoprivredno bilje i šumsko drveće

TETRAPLOID 2n x 2=4n (AAAABBBB)

Podvostručen diploidni broj kromosoma, AABB tretirati s kolhicinom• prednost tetraploida-povećanjem broja kromosoma povećavaju se stanice a time i plodovi, cvjetovi, listovi• sterilni su

tetraploiddiploid

TETRAPLOID

Može nastati: diploid 2n x 2=4ndiploid 2n + kolhicin (ne razvija se diobeno vreteno) =4n

POLIPLOIDIvrste vrste PPOLIPLOIDAOLIPLOIDA

AutopoliploidiAlopoliploidi

AutopoliploidiPovePoveććaniani kkromosomromosomskiski set set iz iz jednog jednog speciesspeciesaa

•1 species čiji je set kromosoma povećan nekoliko puta• Autopoliploidi imaju kromosome koji su potpuno homologni (isti)

AlopoliploidiMultiMultinini kkromosomromosomskiski setsetovi iz ovi iz razlirazliččitih itih speciesspeciesaa

•2 srodna speciesa – spojeni setovi kromosoma iz oba specijesa•Alopoliploidi imaju kromosome koji su djelomično homologni

Autopoliploidi –organizmi s povećanim brojem kromosoma istog genoma

Primjeri autopoliploidnih vrstaJabuka - Malus pumila -2n = 3x =51Krumpir - Solanum tuberosum-2n= 4x=48Luk - Allium 2n= 4x=48Šećerna repa - Beta vulgaris 2n = 3x =27

• Prednosti poliploida: povećani plod, listovi, cvjetovi, sjemenke.mijenjaju se kemijska svojstva npr. tetraploidni kukuruz ima više 40%

vitamina A nego diploidšećerna repa - veći korijen više šećera

•Nedostatak: sterilni, meñutim kod krumpira koji se vegetativno razmnožava ne smeta

Alopoliploidi• organizmi s kromosomima iz različitih genoma

Triticale- nova vrsta nastala križanjem pšenice i ražiTriticale heksaploidni- 6x = 42 AABBRR

A i B- genomi iz pšenice, R genom iz ražiTriticale oktaploidni- 8x= 56 AABBDDRR

A, B i D - genomi iz pšenice, R genom iz raži(slova A, B, D predstavljaju genome)

Raphanobrassica - 4n=36Raphanus (2n=18) x Brassica (2n=18)

Poliploidi u prirodiVažni u stvaranju novih vrsta

Pšenica – prirodni alopoliploidima tri genoma (AABBDD)

Porodica Brassica spp.

ANEUPLOIDI

NulisomiNulisomikk 2n 2n -- 22 Nedostaje Nedostaje homolognihomologni kromosomski parkromosomski par

MonosomiMonosomikk 2n 2n -- 11 Nedostaje Nedostaje jedan kromosomjedan kromosom

Dvostruki Dvostruki monosomikmonosomik 2n2n--11--11 nedostaju nedostaju dva pojedinadva pojedinaččna na kromosomakromosoma

TrisomiTrisomikk 2n + 12n + 1 Ima Ima jedan kromosom vijedan kromosom viššee

Dvostruki Dvostruki trisomiktrisomik 2n+1+12n+1+1 ima ima dva pojedinadva pojedinaččna krom. u vina krom. u viššee

MonoMono trisomiktrisomik 2n2n--1+11+1 ima ima jedan pojedinajedan pojedinaččni kromosom u manjku i ni kromosom u manjku i jedan pojedinajedan pojedinaččni kromosom vini kromosom viššee

TetrasomiTetrasomikk 2n + 22n + 2 iima ma jedan kromosomski par vijedan kromosomski par viššee

?

ANEUPLOIDI organizmi kod kojih je smanjeni ili povećanibroj pojedinačnih kromosoma

Može se dogoditi uslijed nerazdvajanja kromosoma u diobi- u mejozi može se dogoditi u prvoj diobi ili u drugoj

Značaj aneuploidije

• Proučavanje uloge i funkcije pojedinih kromosoma u nasljeñivanju svojstava

• Otkrivanje smještaja (lokusa) gena u kromosomima

• Zamjena pojedinih kromosoma nosioca znanih važnihsvojstava (supstitucija )

• Genus i specijes hibridizacija - mogućnost zamjene kromosoma nosioca poželjnih svojstava izmeñu različitihgenusa i specijesa

Promjena broja kromosoma kod ljudi (euploidija ili aneuploidija) –rezultat su sindromi

Down-ov Sindrom posljedica je Trisomije za 21kromosom

Aneuploidija- za spolne kromosomeTurner STurner SiindromndromKarKariiototiipp i fizii fiziččka ka svojstva svojstva

?

KlinefelterKlinefelter--ovov sisindromndrom

KarKariiototiipp i fizii fiziččka ka svojstva svojstva

ZAKONITOSTINASLJEĐIVANJA

KVALITATIVNIH ili ALTERNATIVNIH SVOJSTAVA

Mendelova genetika ili Fenotipska gnetika

Promatranjem i analiziranjem fenotipa kroz nekoliko generacija – uočene su odreñene genetske zakonitosti

Upoznat ćemo se sa zakonitostima nasljeñivanja svojstva (jednog i dva) Uz pretpostavku da svako svojstvo kontrolira po jedan gen:

jedno svojstvo (monohibrid), dva svojstva (nevezani dihibrid)dva svojstva (vezani dihibrid)

Osnovno pitanje u svim slučajevima je:

Koji je odnos izmeñu uočljivog svojstva (fenotipa) i gena (genotipa)koji kontrolira to svojstvo?

Pojmovi:

KVALITATIVNA ILI ALTERNATIVNA SVOJSTVA –kontrolira mali broj gena, a na njihov razvoj (eksprimiranje) u najvećem broju

svojstava vanjska okolina nema utjecaja (npr. oblik sjemena, oblik cvijeta, ploda)GEN - nositelj nasljednih svojstava, odsječak DNA u smjeru 3' → 5‘

ALEL - jedan od mogućih oblika (forma) gena (A, a)

PAR ALELA - kombinacija 2 alela nekog gena- u diploidnom organizmu uvijek se nalaze dva alela

LOKUS - mjesto u kromosomu u kojem je smješten gen,

GAMETA - muška ili ženska spolna stanica sposobna za oplodnju;ima hapliodan broj kromosoma (n), u njoj se nalazi

samo 1 alel nekog genaZIGOTA - oploñena jajna stanica; ima diploidan (2n) broj kromosoma

i ima 2 alela nekog gena

Homolozi & Aleli

A

B

C

D

ab

c

d

Homologs

From Dad

From Mom

Diploidni (2n) organizam ima kromosome u paru od svakog roditelja po jedan

To su homologni kromosomi kojiimaju alele A, B, C & D u gen lokusima.

Korespodentni gen lokusi su A & a, B & b, C & c, D & d

Locus je fizički smješten u DNA geni koji kontroliraju svojstva A, B, C & D nalaze se u specifičnim lokusima

krom od majke

Krom. od oca

par kromosoma

FENOTIP - vanjski, fizički izgled organizma; ono što vidimo (uočljive manifestacije genetskih svojstava)

- produkt meñusobnog djelovanja: gena, okoline i njihove interakcije

GENOTIP - genetska konstitucija organizma - specifična kombinacija alela

Aktivnost gena &genski produkti Okolina&

razvoj

Fenotip = opažena (uočljiva) manifestacija svojstva organizma

Genotip = sve-ukupnost gena (alela) u organizmu

Genotip

Fenotip

Koji je odnos izmeñu gena (genotipa) i uočljivog svojstva (fenotipa)?Fenotip = Genotip + OkolinaGeni, okolina i interakcija izmeñu njih- sve to odreñuje fenotip svojstvaOrganizmi po fenotipu mogu biti: npr. po boji plave, crvene;po obliku okrugli, naborani

Organizmi po genotipu mogu biti: homozigoti i heterozigoti

HOMOZIGOT -organizam koji ima istoimene alele u genskim lokusima(DD – dominantan homozigot; dd - recesivan homozigot)

HETEROZIGOT - organizam koji ima raznoimene alele u genskim lokusima (heterozigot Dd.)

Dominantni aleli označeni su velikim slovima (A, B, C, R…..)Recesivni aleli označeni su malim slovima (a, b, c, r…)

Na osnovi fenotipa kao uočljive manifestacije djelovanja: gena +okoline i njihove interakcije moguće je pretpostaviti genotip:

Primjerice:Ako je fenotip dominantni (okrugli oblik sjemenke)

Mogući su genotipovi :homozigot dominantni TT ili heterozigot Tt

Ako je fenotip recesivni (naborani oblik sjemenke)samo je jedan genotip: homozigot recesivni tt

Prikaz homozigota i heterozigota na kromosomima

Mogućnosti kombinacije pri sparivanjuhomolognih kromosoma

Pojmovi KRIŽANJE - proizvodnja potomaka parenjem meñusobno individua s

različitim svojstvima

POVRATNO KRIŽANJE - križanje F1 generacije s jednim homozigotnimroditeljem

TEST KRIŽANJE - križanje individua F1 generacije s homozigotnimrecesivnim roditeljem

(koristi se za utvrñivanje genotipa roditelja koji su korišteni u križanju)

ČISTA LINIJA - potomstvo jedne samooplodne biljke ili jedne inbreed linije (kod stranooplodnih vrsta)

Inbred linija (homozigotna) dobije se kontroliranom samooplodnjom kroz nekoliko generacija

Pojmovi

SVOJSTVA: Karakteristike koje se mogu pojaviti u različitim oblicima, kao što je različita boja cvijeta, oblik ploda.

HIBRID: potomstvo dobiveno križanjem roditelja koji su se razlikovali u svojstvu

Monohibrid, dihibrid, itd: broj svojstava u kojima se roditelji razlikuju.Recipročna križanja: mijenjanje roditelja (majka, otac) s obzirom na svojstva

1. Ljubičasta boja cvijeta

majka otac

Bijela bojacvijeta

2. Bijela bojacvijeta

ljubičasta boja cvijeta

P1 generacija: roditelji(parjentalnageneracija)

F1: prvageneracijapotomstva(filijalnageneracija)

F2: drugageneracijapotomstva

majka otac

ZAKONITOSTI NASLJEĐIVANJA

Gregor Johann Mendel (1822-1884)Mendel je prvi prikazao principe nasljeñivanja

Početak moderne genetike

Studirao svojstva graška (1856-1863)

Proučavao cijepanje svojstava kod vrtnog graška (Pisum sativum) počevši 1854.

Objavio svoju teoriju nasljednosti u dijelu “Pokusi s biljnim hibridima”(1865).Izvrstan znanstvenik, zanemarivan >30 godinaMendel ponovno “otkriven” 1902.

Definirao osnovna pravila prijenosa svojstava s generacije na generaciju

Primijenio je svoje znanje iz matematike i koristio znanstvene metode(studirao je matematiku i fiziku u Beču)U svojim proučavanjima koristio hipostatsko-deduktivnu metodu: Postavio hipotezu i odreñenim metodama došao do zaključka o prihvaćanjuili odbijanju postavljene hipoteze.

Što je Mendel pokazao?Zakonitosti u :

1. nasljednost pojedinog svojstva2. cijepanje svojstava (pojavu svojstva u generacijama F1, F2 i Bc)3. dominantnost nekih svojstava4. neovisnu raspodjelu svojstava u F2 generaciji

Pažljivo je izabrao vrstu na kojoj je vršio eksperimente:Pisum sativum (2n =14): vrtni grašak zbog:a. velika produktivnost - stvara mnogo sjemenki (zrna)b. krati životni ciklus - stvara više generacija u kratkom vremenuc. samo-oplodna vrsta - pogodna za stvaranje čistih linijad. lako ga je križati zbog grañe cvijeta

Prednosti graška- svaki cvijet ima i muške (prašnici) i ženske (tučak) spolne organe.

U prirodi, grašak je samooplodnavrsta (jajna stanica oplodi se s gen. jezgrom polenovog zrna istog cvijeta).

U svojim istraživanjima Mendel je izvodio planirano križanja: odstranio prašnike jedne biljke i nanosio polen s druge biljke koja je imala drugačiji pojavni oblik (fenotip) svojstvo te pratio što će se dogañati u potomstvu. nprLjubičasti x bijeli cvijet ….Visoke x niske biljke…

Proučavao najmanje 7 različitih svojstava kod graška tako da je:

*u svakom križanju, uporabio roditelje koji su imali (različite) oblikesvojstva (fenotip) npr. kod proučavanja

boje cvijeta; ljubičasta i bijela, oblika sjemenke; okrugli i naborani

Dobio sjeme križane biljke i uzgajao F1 generaciju

Zaključio je:Fenotip potomstva F1 bio je kao kod jednog roditelja, a drugi oblik (fenotip) svojstva nije se pojavio

(okrugli x naborani = svi okrugli).

Križanjem biljaka F1 x F1 generacije stvorena je F2 generacija:u F2 generaciji “izgubljeni” oblik svojstva se pojavilo ponovno (tj. naborano sjeme) u iznosu od ¼ ukupnog potomstva.

Teoretsko Mendel-ov tumačenje bilo je:- svojstva su kontrolirana “ faktorima”(genima)- faktori su u organizmu u parovima (po 2)- faktori imaju različite oblike gena (alele)

Moguće su 3 kombinacije po dva“faktora” (alela) u diploidnim organizmu:A) 2 “faktora” (alela) za ljubičastu boju,B) 2 “faktora” (alela) za bijelu boju,C) i 1”faktor”(alel) za ljubičastu

+1 “faktor” (alel) za bijelu

Odvajanje “faktora” (alela) dogaña se u vrijeme stvaranja gameta (mejozi),

U svakoj gameti je jedan od “faktora” (alela),slučajno rasporeñen.Alel za ljubičastu i alel za bijelu boju cvijeta imaju svaki 50% vjerojatnosti da se nañu u gameti.

Punnett-ov kvadrat- praktična metoda za analizu neovisnog kombiniranja malog broja nevezanih gena

*koristi se za razumijevanje načina kako se kombiniraju aleli (gamete) iotac (Ww) i majka (Ww) stvaraju po dvije vrste gameta: ½ s dominantnim alelom W i ½ s recesivnim w

*Svaka gameta ima istu mogućnostspariti se s drugom otac (Ww)

Gamete prikazane kao pojedine vrijednostiproporcije (udjeli ) u cijelom (ukupnom) iznosuUdjeli su mogući kao:

1/4 WW, 2/4 (ili 1/2) Ww i 1/4 ww. Izraženo u postotnoj vrijednosti (100)Primjer, 1/4 X 100 = 25%.

majkaWw

Odnos genotipova je1WW : 2Ww : 1ww.

Primjer: 1 + 2 + 1 = 4.Iznos je 4.

1/2 1/2

1/2

1/2

1/4 1/4

1/4 1/4

Mendelovi pokusiZakonitost nasljeñivanja na osnovi istraživanja 7 svojstava

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Zaključio za svih 7 svojstava:

1. Fenotip potomstva F1 bio je kao kod jednog roditelja, drugi oblik svojstva nije se pojavio

2. Križanjem biljaka F1 generacije stvorena je F2 generacija:u F2 generaciji “izgubljeni” oblik svojstva se pojavilo ponovno u iznosu od ¼ ukupnog potomstva.

Za ostalih šest fenotipskih svojstava koje je Mendel istraživaozaključio je:

1.Rezultati recipročnih križanja uvijek su bili isti.

2. F1 potomstvo uvijek ima svojstvo jednog roditelja.

3. U F2 potomstvu, roditeljsko svojstvo “izgubljeno” u F1 generacijiuvijek se pojavljuje u odnosu 1/4:3/4 ili (1:3).

“Mendel- ov Princip odvajanja-cijepanja”:

* Recesivno svojstvo maskirano je u F1 potomstvu , pojavljuje se ponovno u specifičnom udjelu u F2 potomstvu.

Moderna formulacija Mendel-ovog Principa Segregacije:

Dva člana (alela) genskog para cijepaju (odvajaju) se jedan od drugog pri stvaranju gameta (u mejozi).

“Sorry, guys. I did my best!”

MONOHIBRID

MONOHIBRIDNO KRIŽANJE - križanje roditelja koji se razlikuju u jednom paru gena (AA×aa)

MONOHIBRID - organizam koji je heterozigotan u jednom paru alela(Aa)

ODNOS IZMEĐU DVA ALELA JEDNOG GENA može biti:

- DOMINANTNO-RECESIVAN odnos

- NEKOMPLETNA DOMINACIJA (intermedijaran odnos )

- KODOMINANTAN odnos

1. MONOHIBRID - uz dominantno-recesivan odnos alela

DOMINANTAN ALEL - jači u svojoj ekspresiji od drugog (recesivnog) alela istog gena

dominantni alel jednog gena u mogućnosti je sintetizirati genske produkte koje nije u mogućnosti sintetizirati drugi recesivan alel

RECESIVAN ALEL - slabiji je u svojoj ekspresiji od drugog (dominantnog)alela istog gena

Dominantan i recesivan odnos alela- molekularno tumačenje

Molekularni fenotip:

Što kodiraju aleli za oblik ploda?

kodiraju za enzime koji su uključeni u proizvodnju škroba

Recesivni alel kodira za enzim – ne stvara se škrob - naborano sjeme

Dominantni alel kodira za enzime koji stvarju škrob-okruglo sjeme.

Fenotipska i molekularna razina utvrñivanja genotipa (alelne komb.) u odnosu na fenotip

Koje biljke okruglog zrna su homozigotne a koje heterozigotne?

Fenotip uočljiv: okrugli i naborani

homozigotne biljke za okrugli oblik zrna proizvode okruglo zrno

heterozigotne biljke: proizvode okruglo i naborano zrno.

homozigotne biljke graška za naborano zrno proizvode naborano zrno

Odgovor brzi će dati molekularna analiza fenotipa:

Molekularna analiza “naboranog” zrnaIz zrna se izolira DNK (gen koji kodira za enzim),Metoda: DNK se pušta kroz gel u kojem seDNK dijelovi se odvajaju, veći dijelovi putuju sporije (oni ostaju na vrhu gela).

• DNK iz zrna homozigotne biljke-dominamtnog fenotipa (okrugli) namolekularnom fenotipu pokazujesamo jedan alel (dominantni)

• DNK iz zrna heterozigotne biljkepokazuju dominantan (okrugli) fenotip,

ali molekularni fenotip pokazuje oba alela (dominantni i recesivni)

• DNK iz zrna homozigotne biljke-recesivnog fenotipa (naborani) namolekularnom fenotipu pokazujesamo jedan alel (recesivni)

genotipovi

Fenotip

sjemenke

Molekularni

fenotip

Rezultati Mendelovog monohibridnog križanja:

Monohibridno križanje:Roditelji se razlikuju u obliku svojstva(oblik zrna) majka-okrugli oblik

otac – naborani oblik

“Uniformnosti F1 generacije”F1 potomstvo monohibridnog križanjaje uniformno i ima svojstvo jednog roditelja (dominantnog)- okrugli oblik

Zašto je F1 uniformna?Okruglo sjeme - (alel S) dominantan je nad recesivnim (alel s)- naborano zrno

Sve sjemenke okrugle

Svojstvo visina stabljike : visoka i niska

majka otac

F1 ¾ 1/4

Roditelji križani:Okruglog i naboranogzrna.

Punnett-ov kvadrat

F1 genotip

4/4 Ss

F1 fenotip

4/4 okruglo

F1 x F1 križanja:

Mendel takoñer otkrio da svojstvo jednog roditelja koje nije uočeno u F1 pojavi se u odreñenom omjeru u F2 generaciji (1/4)

Odnos fenotipovau F2 generaciji je ¾ okrugli (dom):1/4naborani (reces.)

F2

F1 x F1 Punnett kvadrat:

F2 genotipovi

1/4 SS (homozigot dominant)1/2 Ss (hetrozigot)1/4 ss (homozigot recesiv)

F2 fenotipovi

3/4 okrugli1/4 naborani

Križanja mogu biti prikazana i razgranatim dijagramom,

Jedan

roditelj

Drugi

roditelj

F2 genotipovi F2 fenotipovi

Test križanjaProvodi se kako bi se utvrdilo

Da li je biljka s dominantnim fenotipom(okrugla)homozigotna

ili heterozigotna?

Dopuna:*broj mogućih gameta:Homozigotni organizmi stvaraju uvijek 1 vrstu gameta*Heterozigotni-više¸koliko ?’ovisi o broju hetrozig. lokusa(2n) gdje je n= broj hetrozig.lokusa

Zaključak

Zakonitost kod monohibrida uz dominantno recesivanodnos alela:

Križanjem roditelja ⇒⇒⇒⇒ čistih linija koje se razlikuju u svojstvuP1 AA x aa

nastaje F1 generacija ⇒⇒⇒⇒ Aa – (100%) uniformna (heterozigotna po genotipu, ima fenotip dominantnog roditelja)

Križanjem individua F1 Aa x Aa nastaje F2 generacijau F2 generaciji monohibrida uz dom-rec odnos alela pojavljuje se cijepanje:po genotipu: 1/4 AA (homozigot-dominant)

1/2 Aa (heterozigot)1/4 aa (homozigot - recesivan)

po fenotipu : 3/4 (Aa) dominantno svojstvo1/4 (aa) recesivno svojstvo

Povratno test križanje (Bc ili B1)Aa x aa ⇒⇒⇒⇒ Aa 1/2 dominantno svojstvo, heterozigot

aa 1/2 recesivno svojstvo, homozigot

2. MONOHIBRID – UZ NEPOTPUNU DOMINACIJU ili(intermedijaran odnos alela)

- intermediarni odnos izmeñu 2 alela jednog gena - samo jedan alel gena doprinosi razvoju (ekspresiji) svojstva,- kada su oba alela zajedno u genotipu (heterozigot) stvaraju fenotip koji je intermediaran izmeñu dva homozigota.

samo alelR ekspresira,ali ne u dovoljnoj mjeri da nadoknadi nefunkcionalni drugi alelr

F1-uniformna- heterozigotna- ružičasta boja cvjeta

F2-omjeriGenotip:1/4CRCR:2/4CRCW:1/4CWCW

homozigot1 : heterozigot : homozigot2Fenotip:1/4 crvena:2/4ružičasta:1/4bijela

P1 x P2crvena x bijela

Vrsta: zjevalica (Antirrhinum majus)

Svojstvo: boja cvijeta: crvena, ružičasta, bijela

Povratno križanje: kod monohibrida uz nepotpunu dominaciju oba roditeljase mogu koristiti za povratno križanje

1. F1x roditelj sa crvenom bojom cvijeta (CRCR)CRCW x CRCR

♂/♀ 1/2CR 1/2 CW

1CR 1/2CRCR: 1/2CRCW

Omjer generacije povratnog križanja:genotipova: ½ homozigota: ½ heterozigotafenotipova: ½ CRVENIH : ½ RUŽIČASTIH

2. F1x roditelj sa bijelom bojom cvijeta (CWCW)CRCW x CWCW

♂/♀ 1/2CR 1/2 CW

1CW 1/2CRCW: 1/2CWCW

Omjer generacije povratnog križanja:genotipova: ½ homozigota: ½ heterozigotafenotipova: ½ BIJELIH : ½ RUŽIČASTIH

Zakonitost kod monohibrida uz nepotpunu dominanaciju:Križanjem roditelja ⇒⇒⇒⇒ čistih linija koje se razlikuju u svojstvu

P1 CRCR x CWCW

nastaje F1 generacija ⇒⇒⇒⇒ CRCW – (100%) uniformna (heterozigotna po genotipu, ima “intrmedijarni” fenotip izmeñu dva roditelja)

Križanjem individua F1 CRCW x CRCW nastaje F2 generacijau F2 generaciji monohibrida uz nepotpunu dominaciju cijepanje,po genotipu: 1/4 CRCR (homozigot 1.)

1/2 CRCW (heterozigot)1/4 CWCW (homozigot 2.)

po fenotipu : 1/4 svojstvo jednog roditelja (crvena boja cvjt)1/2 svojstvo izmeñu dva roditelj (ružičasti ili pinki)1/4 svojstvo drugog roditelja (bijeli cvjt.)

Povratna križanja (Bc ili B1)1. CRCW x CRCR ⇒⇒⇒⇒ ½ CRCR svjst rod. s kojim je križana F1 (crvena)

½ CRCW svjst izmedu dva roditelja (ružičasta)

2. CRCW x CWCW ⇒⇒⇒⇒ ½ CWCW svjst rod. s kojim je križana F1 (bijela) ½ CRCW svjst izmeñu dva roditelja (ružičasta)

3. MONOHIBRID – KODOMINANTAN ODNOS ALELA ISTOG GENA

Kodominantan odnos alela - oba alela imaju doprinos na razvoj svojstva, u fenotipu vidljiv učinak oba alela (heterozigot predstavlja “mješavinu” fenotipskih karakteristika oba homozigota)

Oba alelaLM i LN

stvaraju genske produkte(proteine u krvi)

Vrsta: čovjeksvojstvo: krvne grupe MN sistema,

kontrolira 1 gen → 2 alela: LM,LN

FENOTIPOVI: MM, MN, NN

GENOTIPOVI: LMLM, LMLN, LNLN

P1 ♀ LMLM × ♂ LNLN

G1 LM LN

F1 LMLN → uniforna: heterozigotna; MN

Nasljeñivanje M-N krvnih grupa kod čovjeka:

Zakonitost kod monohibrida uz kodominantan odnos alela:Križanjem roditelja ⇒⇒⇒⇒ koji se razlikuju u svojstvu

P1 LMLM x LNLN

nastaje F1 generacija ⇒⇒⇒⇒ LMLN– (100%) uniformna (heterozigotna po genotipu, ima “mješovit” fenotip izmeñu dva roditelja)

Križanjem individua F1 LMLN x LMLN nastaje F2 generacijau F2 generaciji monohibrida uz kodominantan odnos cijepanje je po:,

genotipu: 1/4 LMLM (homozigot 1.)1/2 LMLN (heterozigot)1/4 LNLN (homozigot 2.)

fenotipu : 1/4 svojstvo jednog roditelja (M krvna grp.)1/2 svojstvo “MJEŠOVITO” izmeñu dva roditelj (MN)1/4 svojstvo drugog roditelja (N)

Povratna križanja (Bc ili B1)1. LMLN x LMLM ⇒⇒⇒⇒ ½ LMLM svjst rod. s kojim je križana F1 (M krv.grp.)

½ LMLN svjst “mješavina” izmeñu dva roditelja (MN)

2. LMLN x LNLN ⇒⇒⇒⇒ ½ LNLN svjst rod. s kojim je križana F1 (N)½ LMLN svjst “mješavina” dva roditelja (MN)

4. MULTIPLI ALELOMORFIZAM

- jedno svojstvo kontrolira jedan gen koji ima više od dva alelaMULTIPLI ALELI - mutirani oblici jednog gena

Vrsta: čovjekSvojstvo: krvne grupe AB0 sustava 1 svojstvo (krvna grupa) kontrolira 1 gen koji ima 3 alela: IA IB I0 * odnos izmeñu alela: IA i IB je kodominantni

IA i IB aleli dominantni su nad alelom I0

I0 alel recesivan u odnosu na alele IA i IB

Tablica: Nasljeñivanje krvnih grupa ABO sistema

IAIA IAIO

IBIB IBIO

IAIB

IOIO

A

B

AB

O

GENOTIPFENOTIP Fenotip: A krvna grupaGenotip: homozigot IAIA,

hetrozigot IAI0

Fenotip: B krvna grupaGenotip: homozigot IBIB,

hetrozigot IBI0

Fenotip: AB krvna grupa Fenotip: 0 krvna grupaGenotip:heterozigot IAIB Genotip:homozigot I0I0

Kombinacije alela i mogući fenotip krvnih grupa AB0 krvnog sustavau ljudskoj populaciji

Multipla serija:

Vrsta: kukuruz (Zea mays)Svojstvo: boja perikarpa zrna: pr - crvena

pc - bijeli vršak zrnapv - varijegatapm - mozaikpo - narančastipw - bezbojni

- odnos izmeñu 6 alela ovog gena je dominantno-recesivan, svaki alelnaveden u seriji iznad dominantan je nad alelima ispod sebe, alel navedenkao zadnji u seriji recesivan je nad svim iznad sebe u gameti se nalazi uvijek samo jedan alel (bilo koji)iz serije

a u zigoti se uvijek nalaze dva alela (u bilo kojoj kombinaciji) iz serije

Genotip: prpc , pmpo popw , pwpw

Fenotip: crveni, mozaik, narančasti, bezbojni

Multipla serija kod životinja (kunić)

Boju dlake kod kunića kontrolira 1 gen koji ima 4 alela:CC, Cch, Ch, Ca

Odnos meñu alelima je slijedeći:CC dominantan je nad svim alelima u seriji Cch kodominantan je s alelima Ch i Ca,

Ch dominantan je nad alelom Ca

Ca recesivan je s alelima CC i Ch

Boja dlake genotipDivlja CCCC, CcCch, CCCh, CaCa

Činčila CchCch,CchCh,ChCa

Himalajska ChCh, ChCa

Albino CaCa

DIHIBRID- dominantno recesivan odnos alela

Dihibridno križanje - križanje izmeñu roditelja koji se razlikuju u dva para alela (AABB x aabb, AAbb x aaBB)

DIHIBRID-organizam koji je heterozigotan u dva para alela (AaBb)

Vrsta: grašakSvojstva: 1. boja sjemenke: žuta Y_

zelena yy2. oblik sjemenke: okrugla R_

naborana rrP1 YYRR x yyrr (žuta-okrugla, zelena- naborana)

G1 YR yr

F1 YyRr (uniformna: heterozigotna, žuta-okrugla)

F2 YyRr x YyRr

A a

B b

Dihibridno križanje: F1 generacija

Prikaz fenotipa igena na kromosomimaod roditelja do F1 generacije

1.

2.

Dihibrid: F2 generacijaPrikaz fenotipa ikromosoma s genima

Omjer fenotipova u F2:9:3:3:1

P1

G1

F1

F2

Dihibridno križanje

Povratno test križanje

Razgranati dijagram: YyRr - razdvajamo dihibrid na dva monohibrida Yy i Rr

Genotip:F2 gener. odnos za monoh. 1.i 2. kombinirani genotip1.Yy xYy 2.za Rr x Rr F2 odnos u F21/4YY 1/4 RR 1/16 YYRR

2/4 Rr 2/16 YYRr1/4 rr 1/16 YYrr

2/4 Yy 1/4 RR 2/16 YyRR

2/4 Rr 4/16 YyRr

1/4rr 2/16 Yyrr

1/4 yy 1/4 RR 1/16 yyRR2/4 Rr 2/16 yyRr1/4 rr 1/16 yyrr

Razgranati dijagram: (dihibrid se razdvaja na dva monohibrida)

F2 generacija: Fenotip:

F2 generacija odnos kombinirani fenotipza Yy x Yy za Rr x Rr F2 odnos u F2

3/4 Y- 3/4 R- → 9/16 Y-R- (oba svoj. domin.)

1/4 rr → 3/16 Y-rr (1.svj. dom 2.rec)

1/4 yy 3/4 R- → 3/16 yyR- (1.svj. rec.2.domin.)1/4 rr → 1/16 yyrr (oba svoj.rec.)

Povratno test križanje (Bcili B1)

YyRr x yyrr

¼ YR ¼ Yr ¼ yR ¼ yr1yr ¼ YyRr ¼ YyRr ¼ yyRr ¼ yyrr

Zakonitost nasljeñivanja svojstava kod dihibridnih organizama

• F1 generacija - uniformna - dihibridna (AaBb) po genotipu, po fenotipu ima oba dominantna svojstva

• F2 generacija: cijepanja (9 genotipova i 4 fenotipa)• po genotipu: 1/16 AABB, 2/16AABb, 2/16 AaBB,4/16 AaBa,

– 1/16 AAbb, 2/16 Aabb, 1/16 aaBB, 2/16aaBb, 1/16 aabbpo fenotipu: 9/16 (A-B-)oba svojstva dominantna

3/16 (A-bb) prvo svjstv. dominantno, drugo recesivno3/16 (a BB) prvo svjstv. recesivno, drugo dominantno1/16 (aabb) oba svojstva recesivna

Povratno križanje (Bc ili B1)kod dihibrida:Genotip: ¼ AaBb(dihibrid), 1/4 AaBB (monohibrid u prvom alelnom paru), 1/4 AABb (monohibrid u drugom alelnom paru), 1/4 aabb (homozigot

recesivan)Fenotip: ¼ oba svojstva dominantna

¼ prvo svjstv. dominantno a drugo svjstv. recesivno¼ prvo svjstv. recesivno, drugo svjstv. dominantno¼ oba svjstv. recesivna

Mendelove zakonitosti vrijede i kod dihibrida:

1. Uniformnost F1 generacijeF1 potomstvo je uniformno: genotip - heterozigotan,

a fenotip- dominantno/a svojstvo/a roditelja.

2. Zakonitost cijepanja (segregacije)Recesivna svojstva maskirana su u potomstvu F1 generacije,

ponovno se pojavljuju u specifičnim omjerima u F2 generaciji.

Dva člana gena (aleli) cijepaju (odvajaju) u procesu stvaranja gameta.

3. Zakonitost neovisne (slučajne) raspodijele:Aleli za različita svojstva raspodjeljuju se neovisno jedan od

drugoga.

Geni na različitim kromosomima rasporeñuju se u gameteneovisno jedan od drugog.

GENSKE INTERAKCIJE I MODIFICIRANI MENDELOVI ODNOSI

•Većinu svojstava u organizmu kontrolira više od jednog gena•Izmeñu gena koji kontroliraju jedno svojstvo dogañaju se različite interakcije •Specifične interakcije gena koji nisu alelni imaju za posljedicu pojavu modificiranih Mendelovih odnosa fenotipova u F2 generaciji

•Interakcije izmeñu različitih gena koji kontroliraju razvoj jednog svojstva mogu biti:1. Interakcije ne-alelnih gena koje proizvode NOVI FENOTIP2. Interakcije ne-alelnih gena u kojima alel jedanog gena maskira

ekspresiju drugog gena -EPISTAZE

1. INTERAKCIJE NEALELNIH GENA KOJE PROIZVEDE NOVI FENOTIP• JEDNO SVOJSTVO kontroliraju DVA GENA (dva para alela)• slučajevi nasljeñivanja kada genski interakcijski produkt stvara novi fenotip• tako da omjer fenotipova u F2 generaciji neće biti klasični Mendelovodnos (9:3:3:1) nego će biti modificiran

•Dva dominantna alela kada su zajedno u zigoti stvaraju novi fenotip. • Kada je u zigoti: ili dominantni alel prvog gena ili drugog gena (u homozigotnom ili hetrozigotnom stanju proizvode isti fenotip). • Kada su oba para alela u homozigotno recesivnom stanju stvaraju drugačiji fenotip.

Vrsta: Cucurbita pepo (bundeva, buča)Svojstvo: oblik ploda; spljošteni A_B_

okrugli A_bbokrugli aaB_duguljasti aabb

• interakcija izmeñu dva nealelna dominantna gena (A_B_) stvara novi fenotip (spljošteni oblik ploda)

• svaki dominantni alel kada je u genotipu sam (A_bb, aaB_)stvara okrugli oblik ploda

- recesivni aleli oba gena u genotipu (aabb) stvaraju duguljasti plodKrižanje:

P1 ♀ AAbb x ♂ aaBB (okruli, okrugli)G1 Ab aBF1 AaBb spljošteni oblik plodaF2 ♀ AaBb x ♂ AaBb

1. Interakcija izmeñu dva gena-pojava novog fenotipa (9:6:1)

okrugli okrugli

spljošteni

spljošteni

okrugli

duguljasti

U F2 generaciji utvrñen je modificirani Mendel-ov odnos fenotipova9/16 spljoštenih : 6/16 okruglih : 1/16 duguljastih

Zaključak: - F1 generacija (spljošten oblik ploda) ne nalikuje roditeljima (okrugli), - u F2 pojavljuje se novi fenotipski oblik ploda (duguljasti)- dva različita genotipa proizvode isti fenotip (okrugli)

Povratno test križanje

Bc ♀ AaBb × aabb

♂ ♀ 1/4 AB 1/4 Ab 1/4 aB 1/4 ab1 ab ¼ Aa Bb 1/4 Aa bb 1/4 aa Bb 1/4 aa bb

Generacija povratnog test križanja:→ 4 različita genotipa (¼ Aa Bb,1/4 Aa bb, 1/4 aa Bb, 1/4 aa bb)

→ 3 različita fenotipa (1/4 spljošteni : 2/4 okrugli : 1/4 duguljasti)

2. INTERAKCIJE NEALELNIH GENA – EPISTAZE –alel jedanog gena prikriva ekspresiju alela drugog gena

Epistaze – genske interakcije u kojima jedan gen/alel sprečava ekspresiju drugog nealelnog gena/alela

Vrste epistaza:

A. Recesina epistaza (9:3:4)

B. Dupla recesivna epistaza (9:7)

C. Dominantna epistaza (12:3:1)

D. Dupla dominantna epistaza (15:1)

A. RECESIVNA EPISTAZA (9:3:4)

Recesivan alel jednog gena (cc) u homozigotnom stanju priječi ekspresiju(djelovanje) dominantnog i recesivnog alela drugog gena(A, a).

Kod ovog tipa recesivne epistaze genotipovi A_cc i aaccproizvode individue istog fenotipa (albino)

→ omjer fenotipova u F2 generaciji je 9:3:4Primjer:VRSTA: miš (glodavci)SVOJSTVO: boja dlake - A_C_ divlja

aaC_ crnaA_cc albinoaacc albino

P1 AACC × aacc (divlja, albino)G1 AC acF1 AaCc (divlja boja dlake)F2 AaCc × AaCc

Omjer fenotipova u F2 generaciji kod recesivne epistazeje :

9/16 : 4/16 : 3/16

Povrtano test križanje

Bc AaCc x aaccGamete 1ac

1/4 AC ¼ AaCc – divlja boja dlake 1/4 Ac ¼ Aacc - albino1/4 aC ¼ aaCc - crna1/4 ac ¼ aacc - albino

Omjer genotipova u potomstvu povratnog test križanja je:¼ AaCc : 1/4 Aacc : 1/4 aaCc : 1/4 aacc

Omjer fenotipova:

¼ divlja boja : 2/4 albino : 1/4 crna

B. DUPLA RECESIVNA EPISTAZA (9:7)Recesivni aleli prvog gena (aa) priječe akciju drugog gena (B,b); recesivni aleli (bb) drugog gena priječe akciju prvog gena (A,a).Genotipovi aaB_, A_bb, aabb proizvode isti fenotip. Samo u slučaju kad se dva dominantna alela nañu zajedno,dopunjavaju se i daju različit fenotip.

Primjer epistaze:

Vrsta: graškolika mirisna

Svojstvo: boja cvijeta: ljubičasta C_P_bijela C_ppbijela ccP_ bijela ccpp

P CCpp x ccPP (bijela, bijela) F1 CcPp (ljubičasta)F2 F1 x F1

CcPp x CcPp

Dva dominantna alela dvaju gena kada se nañu zajedno u zigotistvore drugačiji fenotip (ljubičasti),

ako je svaki taj dominantnidominantni alel jednog genas recesivnimrecesivnim alelimadrugog gena stvaraju isti fenotip kao recesivni genotip (bijeli -obično divlji tip)

C gen P gen

C. DOMINANTNA EPISTAZA (12:3:1)

Dominantni alel prvog gena (epistatičan) ekspresiran je u prisutnosti aleladrugog gena.(W) Dominantni alel drugog gena (Y) (hipostatičan) ekspresiran je samo kada je prvi gen homozigotno recesivan.

Primjer:

VRSTA: bundeva SVOJSTVO; Boja ploda: W_Y_ bijela

W_yy bijelawwY_ žuta

wwyy zelena

P1 WWyy × wwYY (bijela × žuta)G1 Wy × wYF1 WwYy bijela F2 F1 x F1

Dominantni alel gena W (epistatičan) ekspresiran je u prisutnosti alela gena Y(Y,y). Dominantni alel gena Y (hipostatičan) ekspresiran je samo kada je genotip individue homozigotno-recesivan u lokusu W (ww).

dominantni gen (W- epistatičnigen) u svojoj ekspresiji jači je od drugog dominantnog gena (Y) kada su zajedno u zigoti.

D. DUPLA DOMINANTNA EPISTAZA (15:1)

Dominatni alel gena “A” epistatičan je nad alelima B i b drugog gena “B”, a dominantni alel drugog gena“B” epistatičan je nad alelima A i a prvog gena “A”.

Kada je u genotipu prisutan: jedan, dva, tri ili četiri dominantna alelafenotip je isti (15/16), samo homozigotno recesivni genotip proizvodi

drugačiji fenotip (1/16).

Primjer:•dva gena kontroliraju ekspresiju svojstva (A1 i A2) Dominantni alel prvog gena(A1) epistatičan je nad alelima (A2, a2) drugog gena (A2). Dominantni alel drugog gena (A2) epistatičan je nad alelima prvog gena (A1)

VRSTA: (Capsulla bursa pastoris) –pastirska torbica

SVOJSTVO: oblik ploda - A1_ A2 _ trokutastiA1_ a2a2 trokutastia1a1 A2_ trokutastia1a1 a2a2 ovalni

P1 A1A1A2A2 × a1a1a2a2 (trokutasti × ovalni)G1 A1A2 × a1a2 F1 A1a1A2a2 trokutasti

- križanjem dvije linije različitog fenotipa (trokutasti, ovalni) F1 generacija je trokutastog oblik ploda, mogli bi zaključiti da jedan genkontrolira oblik ploda.

F2 A1a1A2a2 x A1a1A2a2

F2 generacija odnos kombinirani fenotipza A1a1 xA1a1 za A2a2 x A2a2 F2 odnos u F2

3/4A1- 3/4A2- → 9/16 A1-A2- trokutast1/4a2a2 → 3/16 A1-a2a2 trokutast

1/4a1a1 3/4A2- → 3/16 a1a1A2- trokutast1/4a2a2 → 1/16 a1a1a2a2 ovalni

Tablica 1. Prikaz interakcija i njihovih omjera fenotipova u F2 generaciji

rec.e.domin.

Dupla dom.

Dupla rec.

Inter.Novi fenotip

ZAKONITOSTI NASLJEĐIVANJA VEZANIH SVOJSTVA

VEZANI GENI - su geni koji imaju lokuse u istom kromosomu. Svaki organizam ima veći broj svojstava nego što ima kromosoma, tzn. da se u jednom kromosomu nalazi veći broj gen-lokusa za razna svojstva (vezani geni) → geni smješteni na istom kromosomu pripadaju istoj grupi vezanih gena.

Nasljeñivanje vezanih svojstava

Vezani geni nasljeñuju se zajedno jer se u gamete rasporeñuju zajedno. Morgan proučavao dva svojstva kod vinske mušice (boja tijela, veličina krila) *uočio je odstupanja od Mendelovih zakonitosti koje je poznavao kod nasljeñivanje dva svojstvaZa razumijevanje važno je razumjeti da:

1. Vezani geni nasljeñuju se zajedno jer su smješteni u istomkromosomu

2. Neovisna (slučajna) raspodjela kromosoma i crossing-over stvaraju genetske REKOMBINACIJE

3. Zakonitosti nasljeñivanja svojstava koja su kontrolirana vezanimgenima podliježu Morgan-ovim zakonitostima (ne Mendelovim)

4. Genetičari podatke o vezanim genima i rekombinaciji koriste za konstrukcije kromosomske mape organizma

OTKRIĆE VEZANIH GENA

T. H. Morgan (početak 20 stoljeća) proučavao svojstva vinske mušice (Drosophila melanogaster) (boju očiju, boju tijela, veličinu i oblik krila.)- Vinska mušica - brzo se razmnožava (nastanak nove generacije traje dva

tjedna, 2n =8 (tri para autosoma i par spolnih kromosoma – XX , XY) -Morgan- pronašao je gene na specifičnim (spolnim) kromosomima

Svojstvo: Boja očiju; crvena (divlji fenotip), bijela boja (mutirani fenotip).

Takoñer je uočio da se boja tijela i veličina krila nasljeñuju zajedno

Kasnije je zaključio zašto: zato što geni koji kontroliraju ta dva svojstva imaju lokuse u istom kromosomu.

1.Vezani geni nasljeñuju se zajedno-smješteni su u istom kromosomu.

Vrsta: vinska mušica (Drosophila melanogaster)Svojstva: 1. Boja tijela: siva (divlji tip) (b+)

crna (mutant) (b)2.Veličina krila: normalna (divlji tip) (vg+)

zavinuta (mutant) (vg)Morgan je križao F1 heterozigotnu ženku (b+b vg+vg) - siva boja tijela i normalna veličina krila s homozigotno recesivnim mužjakom (bb vgvg)- crna boja tijela, zavinutih krila (test križanje)

Bc b+b vg+vg x bb vgvg

gamete majke gamete oca 1b vg fenotip potomstvab+vg+ b+bvg vg+ (siva b.tj.normalna kr.)b+vg b+bvg vg (siva b.tj.zavinuta kr.)b vg+ bbvg+vg (crna b.tj.normalna kr.)b vg bbvgvg (crna b. tj. zavinuta kr.)

S obzirom na neovisnu raspodjelu, očekivao je 4 fenotipa (siva boja tijela normalnih krila, crna boja tijela normalnih krila, siva boja tijela zavinutih krila, i crna boja tijela zavinutih krila) u omjeru 1:1:1:1.

U provedenom eksperimentu s vinskom mušicom analizirao je:2300 potomaka i očekivao 4 različita fenotipa svaki u frekvenciji

(1/4) ili 575, *meñutim u potomstvu su uočena 4 fenotipa (2 roditeljska i 2 nova) ali frekvencije nisu bile očekivane:

Rezultat analize:roditeljske fenotipove:965 potomaka divljeg tipa (siva boja tijela, normalna krila), i944 potomka (crna boja tijela, zavinuta krila),

nove fenotipove206 potomaka imalo je fenotip: sivu boju tijela, zavinuta krila, a185 potomaka imalo je crnu boju tijela normalna krila(novi fenotipovi rezultat su crossing overa)

Zašto je novih fenotipova bilo je manje (206 i 185) od očekivanog za neovisnu raspodjelu (575) !Morgan je zaključio da se ta dva svojstva (boja tijela i veličina krila nasljeñuju zajedno) stoga jer su geni koji ih kontroliraju smješteni u istom kromosomu.

Morgan je zaključio da se boja tijela i veličina krila nasljeñuju zajednojer su njihovi geni smješteni u istom kromosomu.

Prikaz nastanka rekombinantnih gameta u mejozi kod vezanog dihibridnogorganizma

2. Neovisna (slučajna) raspodjela kromosoma i crossing-overstvaraju genetske REKOMBINACIJE

a) Stvaranje rekombinantnih gameta kod dihibridne ženke

Rekombinantni fenotipovi u Morganovom povratnom križanju rezultat su pojave rekombinantnih gameta.

Utvrñivanje postotka crossing-over gametaKoliko će biti crossing over gameta? ovisi od slučaja do slučaja - % predstavlja broj c.o. gameta na ukupno 100 stvorenih gameta. - moguće ga je izračunati iz potomstva koje ima rekombinantna svojstva roditelja (najtočniji izračun % c.o. gameta je iz potomstva povratnog test križanja).Primjer:

VRSTE REKOMBINACIJARekombinantne gamete-kombinacije alela koje nisu postojale kod roditelja

Rekombinantne gamete mogu biti rezultat:

1. INTERKROMOSOMSKE- Mendelove zakonitosti nasljeñivanjanevezanih svojstava

Interkromosomske rekombinacije - rezultat su kombinacija gena (alela)čiji su lokusi smješteni u različitim kromosomima

2. INTRAKROMOSOMSKE- Morganove zakonitosti nasljeñivanjavezanih svojstava

Intrakromosomske rekombinacije – rezultat su kombinacija gena (alela)čiji su lokusi smješteni u istim kromosomimahomolognog kromosomskog para

Interkromosomskerekombinacije

Prikaz - interkromosomskerekombinacije u kojoj se uvijekstvara 50% rekombinantnihfenotipova (gameta).Rekombinantnih gameta ima dvije vrste (25% Ab i 25%aB)

Intrakromosomskerekombinacije

Prikaz - intrakromosomskerekombinacije u kojoj se uvijekstvara manje od 50%rekombinantnih fenotipova(gameta).Rekombinantnih gameta ima dvije vrste(Ab - manje od 25% i aBmanje od 25%)

Nasljeñivanja dva svojstava

Potomstvo s novim kombinacijama svojstava naslijeñenih od dva roditeljarezultat su rekombinacija gena

Genetske rekombinacije mogu biti rezultat : 1. neovisne raspodijele dva gena smještena u nehomolognim kromosomima 2. rezultat crossing-over izmeñu dva gena smještenih u homolognimkromosomima.

Nevezani dihibrid - zakonitosti po Mendelu

- neovisna raspodijela gena smještenih u nehomolognim kromosomima

P YYRR x yyrr (žuta, okrugla x zelena, naborana)

F1 YyRr (žuta, okrugla)

Bc YyRr x yyrr

nastavak Nevezani dihibrid - zakonitosti po Mendelu

Bc YyRr x yyrr (žuta, okrugla x zelena, naborana)

1yr potomstvo 1/4YR 1/4YyRr1/4Yr 1/4Yyrr1/4yR 1/4yyRr1/4yr 1/4yyrr

Potomstvo povratnog test križanje ima četiri različita fenotipa

1/2 su roditeljski fenotipovi sjemenke:(1/4 žuta, okrugla i 1/4 zelena, naborana)

1/2 potomstva su rekombinanti fenotipovi:(1/4 žuta, naboran i 1/4 zelena, okrugla) nove kombinacije

roditeljskih svojstava.

Vezani dihibrid - zakonitosti po Morganu-genske rekombinacije rezultat crossing-overa izmeñu dva gena smještena u homolognim kromosomima

P b+b+ vg+vg+ x bb vgvg (siva boja tj,normalna krila i crna,zavinuta)G1 b+vg+ bvgF1 b+b vg+vg (siva,normalna krila)Bc b+b vg+vg x bbvgvg

Potomstvo povratnog test križanja ima četiri različita fenotipa (vidi shemu)siva boja tijela - normalna krila (965 individua)crna boja tijela - zavinuta krila (944 individua)siva boja tijela - zavinuta krila (206 individua)crna boja tijela - normalna krila (185 individua)

Roditeljskog fenotipa ima više od 50%: fenotip individua (siva boja tijela normalna krila i crna boja tijela zavinuta krila)

dok rekombinantnih fenotipova ima manje od 50%:individue (siva boja tijela zavinuta krila i crna boja tijela normalna krila)

VEZANI DIHIBRIDNI ORGANIZAM

Serija spajanja -ABab-(oba dominantna alela nalaze se u jednom kromosomu iz homolognog kromosomskog para a oba recesivna u drugom kromosomu iz homolognog kromosomskog para.

• ABab daje→ 4 vrste gameta : 2 vrste roditeljske i 2 vrste rekombinantne• rekombinantnih gameta uvijek ima < 50%

Kombinacije roditeljska rekombinantne roditeljskagameta

gamete AB Ab aB abfrekvencije r s s rgameta

• normalnih (roditeljskih) gameta ima uvijek više •2r gameta (roditeljskih ) ima više od 2s gameta (rekombinantnih)

A aB b

VEZANI DIHIBRIDNI ORGANIZAM

Serija razdvajanja AbaB- jedan dominantni i jedan recesivni alel nalaze se u jednom a jedan recesivan i jedan dominantan u drugom kromosomu iz kromosomskog para

• AbaB daje→ 4 vrste gameta : 2vrste roditeljskih i 2 vrste rekombinantnih• rekombinantnih gameta uvijek ima < 50%

Kombinacije rekombinantna roditeljske rekombinantnagameta

gamete AB Ab aB abfrekvencije r s s rgameta

• normalnih (roditeljskih) gameta ima uvijek više• 2s gameta (roditeljskih ) ima više od 2r gameta (rekombinantnih)

Ab

a

B

Serija spajanjeP1 ABAB x abab

G1 AB ab

F1 ABab

F2 ABab x ABab

Majka i otac stvaraju po četiri vrste gameta

Gamete frekvencijaAB r roditeljskeAb s rekombin. (c.o)aB s rekombin. (c.o)ab r roditeljske

Frekvencije fenotipova i genotipova u F2-nastavak

Serija razdvajanjeP1 AbAb x aBaB

G1 Ab aB

F1 AbaB

F2 AbaB x AbaB

Majka i otac stvaraju po četiri vrste gameta

Gamete frekvencijaAB r rekombin. (c.o)Ab s roditeljskeaB s roditeljskeab r rekombin. (c.o)

Frekvencije fenotipova i genotipova u F2-nastavak

Križanje vezanog dihibridnog organizma serije spajanja i serije razdvajanja

Zakonitost nasljeñivanja vezanih svojstava

SERIJA SPAJANJA

Vrsta: Grašolika mirisna; dihibridno križanje izmeñu dvije linijeSvojstva: boja cvijeta - ljubičasta P

- crvena poblik polena - dugi L

- okrugli lP1 PLPL × plpl (ljubičasata, dugi x crvena, okrugli)G1 PL pl F1 PLpl ljubičasta boja cvijeta, dugi polen

U F2 generaciji očekivan je omjer 9 : 3: 3 : 1; meñutim rezultati su bili:

Fenotip eksperimentalni očekivaniljubičasta, dugi PL 284 215ljubičasta, okrugli Pl 21 71crvena, dugi pL 21 71crvena, okrugli pl 55 24ukupno: 381 381

Metodom Hi kvadrat testa utvrñeno je da eksperimentalni podaci ne odgovaraju teoretski očekivanim.Zaključak: Geni za dva svojstva nalaze se na istom

kromosomskom paru

SERIJA SPAJANJA - povratno križanje za vezani dihibridni organizam

•Izvršeno je križanje linije grašolike mirisne ljubičastog cvijeta i dugog polena s linijom crvene boje cvijeta i okruglog polena

Bc PLpl x plpl

U direktnom potomstvu ovog križanja uzgojeno je 1000 biljka i to:ljubičasta, dugi PL 390ljubičasta, okrugli Pl 130crvena,dugi pL 120crvena, okrugli pl 360

Rezultati prikazanog povratnog križanja (frekvencije fenotipova) ukazuju da je povratno križanje karakteristično za vezani dihibrid i to serije spajanja

(da je to vezani dihibrid zaključujemo jer omjer fenotipova u potomstvu povratnog križanja nije 1:1:1:1, a da je to serija spajanja zaključujemo po tome što roditeljskih fenotipova ima više (390+360)

SERIJA RAZDVAJANJAvrsta: Rajčica Svojstva: oblik ploda - okrugli O

- dugoljasti ooblik cvata - jednostavan S

- složeni sP1 oSoS × OsOs (dugoljasti, jednostavni

okrugli, složen)G1 oS Os F1 OsoS (okrugli plod, jednostavan cvijet)

U F2 generaciji razvilo se: okrugli plod, jednostavan cvat OS 126okrugli plod, složeni cvat Os 66dugoljasti plod, jednostavan cvat oS 63dugoljasti plod, složeni cvat os 4

ukupno 259

Metodom Hi kvadrat testa utvrñeno je da eksperimentalni podaci ne odgovaraju teoretski očekivanim za dihibridni organizam koji bi trebali biti 9:3:3:1.Zaključak: Geni za dva svojstva nalaze se na istom kromosomskom paru

SERIJA RAZDVAJANJA - povratno križanje za vezani dihibridni organizam• križanje linije rajčice okruglog ploda i jednostavnog cvatai s linijom duguljastog ploda i složenog cvata

Bc OsoS x osos

U direktnom potomstvu ovog križanja uzgojeno je 1000 biljka i to:okrugli plod, jednostavan cvat OS 150okrugli plod, složen cvat Os 350duguljast plod, jednostavan cvat oS 340duguljast plod, složen cvat os 160

Rezultati prikazanog povratnog križanja (frekvencije fenotipova) ukazuju da je povratno križanje karakteristično za vezani dihibrid i to serije razdvajanja

(da je to vezani dihibrid zaključujemo jer omjer fenotipova u potomstvu povratnog križanja nije 1:1:1:1, a da je to serija razdvajana zaključujemo po tome što roditeljskih fenotipova ima više (350+340)

GENSKE MAPE (KARTE)Konstrukcija genskih mapaA. Sturtevant, Morganov student koristio je vezane gene i crossing over za razvoj metode za konstrukciju genskih mapa.U genetskoj mapi poredani su geni na utvrñene udaljenosti jedan od drugog na istom kromosomuSturtevant-ova hipoteza da frekvencija rekombinatnih potomaka pokazuje udaljenost izmeñu gena na kromosomu.

Kada su dva gena udaljenija na kromosomu veća je vjerojatnostcrosing overa izmeñu njih i više je rekombiniranih fenotipova.

Sturtevant je upotrijebio test križanje kako bi odredio udaljenost izmeñu tri gen lokusa kod vinske mušice: boja tijela (b), veličina krila (vg), i boja očiju (cn).Prema podacima povratnih test križanja utvrñeno je:

Rekombinacijska frekvencija izmeñu gena cn i b je 9%.Rekombinacijska frekvencija izmeñu gena cn i vg je 9.5%.Rekombinacijska frekvencija izmeñu gena b i vg je 17%.Jedinca mjere je (centimorgan) što predstvalja ekvivalent za 1% rekombinannih potomaka.

Mogući položaj tri gena: gen za boju očiju izmeñu ostala dva gena.Položaj gen lokusa: boja tijela, boja očiju i veličina krila

Dio genske mape za smještaj i poredak gen lokusa za pet svojstavakod vinske mušice

Genska mapa (dio) kod rajčice

ZAKONITOSTI NASLJEĐIVANJEKVANTITATIVNIH SVOJSTAVA

Kvantitativna svojstva - pod kontrolom su velikog broja gena - poligena(minor i major učinka), - uvjeti okoline utječu na njihovu ekspresiju

Dva glavna obilježja kvantitativnih svojstava po kojima se izrazito razlikuju od kvalitativnih su:

1. Kvantitativna svojstva uvijek se izražavaju u jedinicama mjere (masa- g,kg,t, veličina cm.., količina –ml, litre), a pojedinačna mjerenja čine niz izmeñu dvije krajnje ekstremne vrijednosti

2. Na fenotipsku izražajnost kvantitativnih svojstava utječu poligeni te uvijek u većoj ili manjoj mjeri utječu činioci okoline.

Utjecaj faktora okoline ovisi o genotipu organizma u cjelini, te o intenzitetu i interakciji faktora okoline.

Kvantitativna svojstva: boja i oblik latica

krajnjenijanse boje

sve nijanse boje

Kvantitativna svojstva:boja cvijeta, promjer ibroj latica koje čine vjenčić

Razlike izmeñu kvalitativnih i kvantitativnih svojstava

KVALITATIVNA svojstva KVANTITATIVNA svojstva

•Diskontinuirana svojstva Kontinuirana svojstva

•Jednostavan odnos Složen odnosizmeñu genotipa i fenotipa; izmeñu fenotipa i genotipa

•okolina nema utjecaja na razvoj okolina ima utjecaj na svojstva; njihovu ekspresiju

• kontrolira ih mali broj gena kontrolira ih velik broj gena malog učinka

boja sjemenke: žuta ili zelena boja očiju: svijetla, tamna

Prikaz :P1, P2 ,F1 i F2a) kvalitativnog (diskontinuranogsvojstva)

Prikaz :P1, P2 ,F1 i F2b) kvantitativnog(kontinuiranog)

svojstva

Kvantitativna svojstva

Utjecaj okoline na ekspresiju kvantitativnih svojstava

Jedan način podvrgnuti testiranju u različitim okolinama grupe individua koji se ne razlikuju ili se vrlo malo razlikuju u genotipu(inbred linije, klonovi, jednojajčani blizanci)

Vrlo slabagnojidba

Obilna gnojidba

Za ove dvije biljke istog klona sve utvrñene razlike u svojstvima (veličina cvijeta, lista, masa ploda, masa suhe tvari) mogu se pripisati utjecaju okoline.(genotip im je jednak jer su klonovi)

Procjena utjecaja okoline:

Kako razlikovati učinke okoline i gena?

Kvantitativna svojstva

Procjena utjecaja okoline i gena na kvantitativna svojstvau križanjima (hibridne populacije)

Utjecaj gena na razvoj nekog kvantitativnog svojstva procjenjujese iz posebno stvorenih (dizajniranih) generacija.

Razlikuju se načini procjene utjecaja okoline i utjecaja gena na razvoj kvantitativnih svojstva za samooplodne i stranooplodevrste, te vrste koje se vegetativno razmnožavaju.

Za procjenu utjecaja gena i okoline kod samooplodnih vrsta potrebno je imati najmanje 6 generacija (P1, P2, F1, F2, BC1, BC2)

1. Utjecaj okoline - moguće je procijeniti iz homozigotnihroditelja P1, P2 i heterozigotne uniformne F1 generacije

2. Utjecaj gena - moguće je procijeniti iz generacija: F2, BC1 i BC2

Kako je moguće razlikovati kvalitativna i kvantitativna svojstva na osnovi fenotipa? U kojoj generaciji je to moguće ?Utjecaj broja gena na broj fenotipskih klasa

0.50

0.25

0.00

U F2 generaciji tri fenotipske klase: bijela (0,25) : pinki (0,50) : crvena (0,25)

ODNOS IZMEĐU GENOTIPA I FENOTIPA ZA SVOJSTVA

Kontrola boje cvijeta: jedan gen

6/16

4/16

1/16

0

R1R2 R1r2 r1R2 r1r2

R1R2

R1r2

r1R2

r1r2

R1R1R2R2 R1R1R2r2 R1r1R2r2R1r1R2R2

R1R1R2r2

R1r1R2R2

R1R1r2r2 R1r1R2r2 R1r1r2r2

R1r1R2r2 r1r1R2R2 r1r1R2r2

R1r1R2r2 R1r1r2r2 r1r1r2r2r1r1R2r2

Utjecaj broja gena na broj fenotipskih klasa

Kontrola boje cvijeta: dva genaKada bi dva gena kontrolirala boju cvijeta, oba uz nekompletnu dominaciju, (pretpostavka da oba imaju jednak učinak na ekspresiju boje).U F2 generaciji bilo bi pet fenotipskih klasa i udio svake je drugačiji 1/16 : 4/16 : 6/16 : 4/16 : 1/16

Kvantitativna svojstva

Utjecaj broja gena na kontinuiranost fenotipova u F2 generaciji

6/16

4/16

1/16

0

Dva gena (4 alela) –kontroliraju svojstvo (aditivni učinak alela)- 5 fenotipskih klasa- frekvencija krajnjih (ekstremnih)fenotipskih klasa je 1/16

Tri gena (6 alela) kontroliraju svojstvo-7 fenotipskih klasa boje- frekvencija krajnjih (ekstremnih)fenotipskih klasa je 1/64

ADITIVNO DJELOVANJE POLIGENA

Aditivno djelovanja poligena – pretpostvaka kvantitativnih genetičara da je učinak gena aditivan, • kod aditivnog učinka poligena - fenotip je rezultat ekspresije poligenaAditivni učinak -zbroj pozitivnih i negativnih učinaka pojedinačnih alelasvih gena koji kontroliraju kvantitativno svojstvo

Glavne značajke aditivnog djelovanja poligena su:1. F1 generacija stvara fenotip čija je srednja vrijednost jednaka

srednjoj vrijednosti roditeljskog prosjekaP1 A1A1 x A2A2F1 A1A2

vrijednost 0 1 2skala ● ● ●genotip A1A1 A1A2 A2A2

2. F2 generacija – fenotipovi su distribuirani i slažu se u zvonastu ili Gausovu krivulju

1. MONOMERNO NASLJEĐIVANJENilson Ehle - boja perikarpa kod pšenice može biti kontrolirana sa 1, 2 i 3 gena

(R1, R2 i R3)• djelovanje gena je aditivno - učinak aditivnih alela R se zbraja (kumulira)

i proizvodi fenotip• aditivni aleli R1, R2, R3 imaju jednak udio u ekspresiju boje perikarpa pšenice doprinose podjednako (istom dozom) razvoju intenziteta smeñe boje

Primjer:Boja perikarpa pšenice: svojstvo kontrolira jedan gen R

učinak gena je aditivan: ekspresija smeñe boje (nijanse) ovisi obroju aditivnih alela u genotipu

P1 ♀ R1R1 × ♂ r1r1 (smeñi × bijeli) F1 R1r1 (uniformana, heterozigotna, svijetlo smeña-

intermedijaran fenotip)F2 ♀ R1r1 × ♂ R1r1

U F2 generaciji:frekvencija genotipovi: 1/4 R1R1 2/4 R1r1 1/4 r1r1

F2 → 3 klasa boje → 2 smeñe i 1 bijelafrekvencija fenotipova: 1/4smeña : 2/4 svijetlo smeña : 1/4 bijelabroj aditivnih alela: dva aditivna alela R : jedan aditivni alel R : 0R

2. DIMERNO NASLJEĐIVANJEBoja perikarpa pšenice: svojstvo kontrolirju dva gena R1 i R2

P1 ♀ R1R1R2R2 × ♂ r1r1r2r2 (smeñi × bijeli)

F1 R1r1R2r2 (uniformana, heterozigotna, intermedijaran fenotip)

F2 → 5 klasa boje → 4 smeñe i 1 bijele; → intenzitet smeñe boje ovisi o broju aditivnih R alela u genotipu

6/16

4/16

1/16

00 1 2 3 4

broj aditivnih alela

Frekvencija fenotipa i genotipa u dimernom nasljeñivanju bojeperikarpa pšenice (aditivno djelovanje gena)

HERITABILNOST ILI NASLJEDNOST

Heritabilnost – stupanj varijabilnosti kvantitativnih svojstavakoja će biti prenijeta od roditelja na potomstvo;

kako vjerno roditeljska svojstva mogu biti prenijeta na potomstvo?

Da li su razlike u svojstvu zasnovane na razlikama u genima ili u razlikama u okolinama

ili razlikama i u genima i okolini.

Ako smo zainteresirani za povećanje proizvodnje mlijekazanimat će nas kolika je vjerojatnost prijenosa svojstva od roditelja na potomstvo

Povezanost fenotipa i genotipa važna je kod izbora roditelja u oplemenjivanju biljaka i životinja.

Genetičare i oplemenjivače interesira:1. koliko su geni (VG) odgovorni za fenotip (VF)2. koliko je udio aditivnog djelovanja gena (VA) u ukupnom fenotipu (VF).

HERITABILNOST ILI NASLJEDNOST- mjera koja kaže koliko su geni utjecali na razvoj nekog svojstva u odreñenoj populaciji

HERITABILNOST ili NASLJEDNOST

Kako možemo proučiti genetske osnove varijabilnosti?

VF = VG + VE

fenotipskavarijanca

genetipskavarijanca

okolinskavarijanca

VF = ukupna varijanca svojstva (fenotip)VG = varijanca svojstva kao posljedica razlike u genimaVE = varijanca svojstva kao činilac razlike u okolini

Jednostavan matematički način prikaza fenotipskevarijabilnosti kao činioca genetske i okolinskevarijabilnosti.

Heritabilnost (nasljednost) u širem smislu

H2 = VG / VF

VF = VG + VEFenotipska genetipska okolinska

varijanca varijanca varijanca

mean

Riječima:Heritabilnost u širem smislu je udio genotipske varijance u ukupnoj fenotipskojvarijanci.

Heritabilnost (nasljednost) u užem smislu

VF = VA + VD + VEaditivna dominantna

Fenotipska genetipska genotipska okolinskavarijanca varijanca varijanca varijanca

h2 = VA / VF

Što znači h2 = 1?h2 = 0?h2 = 0.5?

h2 = 1 - utvrñena fenotipska razlika rezultat je aditivnog djelovanja poligenah2 = 0.5 - znači da 50% fenotipskih razlika je rezultat genetskih razlika izmeñu individua h2 = 0 - razlike koje su se pojavile u fenotipu nisu rezultat genetske razlike

izmeñu individua

Riječima:Heritabilnost u užem smislu je udio aditivne varijance u ukupnoj fenotipskojvarijanci.

Korištenje podataka o heritabilnosti?

1. za odreñivanje oplemenjivačke vrijednosti- koliko je pojedinačna(individualna) superiornost činilac aditivnog genetskog učinak

2. za predviñanje odgovora na selekciju- koliko se superiornost grupeizabranih indvidua može prenijeti na potomstvo

Zaključak:1. Podatak o aditivnoj genetskoj varijanci važno je u oplemenjivanju biljka i životinja jer se svojstvo kontrolirano poligenima čiji je učinak aditivni može prenijeti u slijedeću generaciju

2. Heritabilnost ili nasljednost objašnjava koliko je ukupna fenotipskavarijanca rezultat djelovanja aditivnih gena

HETEROZIS

Definicija: Pojava povećane vrijednosti svojstva/svojstavau F1 generaciji nakon križanja roditelja koji se genetski razlikuju.

Schull (1908)- uvodi termin heterozis za hibridnu snagu (vigor) kao posljedica heterozigotnosti

- heterozis je zabilježen kod autogamnog i alogamnog bilja te bilja koje se vegetativno razmnožava

-Pojava hibridne snage heterozis može se očekivati gotovo kod svake biljne vrste ali ne u svakoj kombinaciji križanja

-Roditelji čija je kombinacija križanja (F1) rezultirala heterozisom imaju dobru kombinacijsku sposobnost

-(specifičnu ili opću)

heterozis se očituje samo u specifičnim genskim kombinacijama

East i Hays (1912)- definiraju heterozis kao metodu koja se praktično primjenjuje u proizvodnji hrane

Heterozis je prvi put korišten 1930 tih godina u proizvodnji hibrida kukuruza

PROCJENA HETEROZISA

RELATIVNI heterozis – vrijednost F1 generacije u odnosu na roditelje

a) heterozis - razlika izmeñu F1 hibrida i roditeljskog prosjeka

H = (F1-MPV)/MPV x 100

F1=srednja vrijednost svojstva F1 generacijeMPV= prosjek P1 + prosjek P2/2 (srednja vrijednost svojstva roditeljskog prosjeka)

b) heterobeltiozis – razlika u srednjim vrijednostima svojstva F1 generacije i srednje vrijednosti boljeg roditelja

H = (F1-HPV)/HPV x 100

F1=srednja vrijednost F1 generacijeHPV= srednja vrijednost boljeg roditelja

2. APSOLUTNI heterozis – hibrid (F1generacija) u odnosu na hibrid, sortu, populaciju koja je standard u proizvodnji te kulture (standard jednake namjene)

Kod hibrida (hibridnih sorti) sjeme se može koristiti samo jednu godinu

Jednostavan i jeftin način dobivanja sjemena je preduvjet da se kod neke biljne vrste koristi heterozis

(korištenje “ručne”, “genetske”, “kemijske” emaskulacijeu proizvodnja hibrida)

GENETSKA OSNOVA HETEROZISA

Genetski mehanizam heterozisa pokušava objasniti nekoliko teorija ili hipoteza:

1. TEORIJA DOMINANTNOSTI

Davenport (1908.) - heterozis je posljedica akcije i interakcijepoželjnih dominantnih gena koji su zajedno u hibridu

Heterozis prema teoriji dominacije može biti uzrokovana) djelomičnom dominacijom

b) potpunom dominacijom

Djelomična dominacijaP1 AAbbCC × AABBcc

G1 AbC × ABcF1 AABbCc

alel A=10 B=12 b=6 C=8 c=4 Vrijednost roditeljskih- majčinskih AAbbCC = 24 (20/2) + (12/2) + (16/2)- očinskih AABBcc = 26 (20/2) + (24/2) + (8/2)- ako djelomična dominacija uzrokuje srednju vrijednost genotipova

Bb = 9 Cc = 6,5

tada je vrijednost F1 AABbCc = 10+9+6,5 = 25,5

- što predstavlja djelomičnu dominaciju prema roditelju s većom srednjom vrijednosti

Potpuna dominacijaP1 AAbbCC × AABBcc

G1 AbC × ABcF1 AABbCc

alel A=10 B=12 b=6 C=8 c=4 Vrijednost roditeljskih- majčinskih AabbCC = 24 (20/2) + (12/2) + (16/2)- očinskih AABBcc = 26 (20/2) + (24/2) + (8/2)- ako potpuna dominacija uzrokuje da srednja

vrijednost genotipova Bb = 10 Cc = 6

tada je vrijednost F1 AABbCc = 10+10+6 = 26

Heterozis je prema domonantnoj teoriji rezultat maskiranja recesivnih alela s domininantnim ili djelomično dominantnim.

2. TEORIJA HETEROZIGOTNOSTI (SUPERDOMINACIJA)

- interakcije izmeñu različitih alela - heterozigotno stanje što većeg broja alela

• East i Hayes (1912.); heterozis je rezultat heterozigotnosti

Teorija heterozigota dopunjena teorijom superdominacije koja pretpostavlja da heterozigotno stanje alela (Bb) u pojedinačnim gen lokusima superiornije od oba homozigota (BB i bb)

• Produkti alela B i b imaju različit učinak; suma njihova djelovanja veća je od produkata proizvedenih od

alela u homozigotnom stanju

Primjer: četri lokusa učestvuju u kontroli kvantitativnogsvojstava, ekspresija u fenotipu: • recesivni genotip sudjeluje s 1, • heterozigotni genotip s 2, • dominantni homozigotni genotip s 1,5.

P1 aabbCCDD × AABBccdd

fenotipske vrijednosti: Roditelj: aabbCCDD =1+1+1,5+1,5 = 5; Roditelj: AABBccdd= 1,5+1,5+1+1 = 5

F1 AaBbCcDd 2+2+2+2 = 8

Moguća objašnjenja heterozisa na biokemijskoj razinikao rezultat heterozigotnog stanja genotipa.

Brewbaker (1967)- superdominacija (objašnjenje za različito djelovanje alela istog gena kada su u heterozigotnom stanju)

Slika 1. Aleli istog gena neovisno kodiraju za različite proteine (dvije vrste istog enzima), to organizmu daje prednost u različitim okolinama npr. kada se pojavljuje više patotipova neke bolesti:

•genotip A1A1 otporan na patotip 1, •genotip A2A2 otporan na patotip 2, •genotip A1A2 (heterozigot) otporan na oba patotipa (1 i 2).

Slika 1. A1A1 A2A2

F1 A1A2

Slika 2. Aleli A1 i A2 kodiraju različite monomere, koji se aktiviraju u različitim okolinama (120 i 180C)

• genotip A1A1 stvara potrebne monomere kod 120 C

• genotip A2A2 stvara potrebne monomere kod 180C

• genotip heterozigotni A1A2 stvara potrebne monomere kod obje temperature(120 i 180C)

Slika 2.

Genotip A1A2 može se uspješno uzgajati u obje okoline

A1A1 A2A2

3. Teorija EPISTAZA (aditivnosti)P1 AABBCCdd × aabbccDDF1 AaBbCcDdvrijednost aditivnog alela = 6; nulti (recesivni alel) = 2

Vrijednost svojstva pri aditivnom djelovanju gena fenotipske vrijednosti:

P1 AABBCCdd = 20 ; P2 aabbccDD = 12 F1 AaBbCcDd

Aa = (6+2)/2 = 4Bb = 4Cc = 4Dd= 4

→ F1 = 16

Zaključak:Heterozis svojstva rezultat je djelovanja dijelom

dominantnih homozigotnih gena, dijelom heterozigotnih gena, a dijelom različitih tipova epistaza.

Udio pojedinačnih djelovanja gena je različito za različita svojstava kod hibrida biljnih vrsta

HETEROZIS se danas koristi u proizvodnji kukuruza, suncokreta, krastavaca, rajčice, lubenica, dinja.

Populacijskagenetika

Populacijska genetika

Daje matematički opis genetičke strukture populacijau prostoru i vremenu

Genetičke strukture populacije:

-frekvencija (udio) fenotipova -frekvencija (udio) genotipova -frekvencija (udio) alela

Distribucija krvnih grupa (Rijeka, 2007)

Fenotip Broj Genotip Broj Aleli

A 105 IAIA 70

IAI0 35 f (IA) = ?

B 100 IBIB 60 f (IB) = ?

IBI0 40

AB 58 IAIB 58 f (I0) = ?

O 37 I0I0 37

Ukupno 300 300 600

Distribucija krvnih grupa (Rijeka, 2007)

Fenotip Broj Genotip Broj Aleli

A 105 IAIA 70

IAI0 35 f (IA) = ?

B 100 IBIB 60 f (IB) = ?

IBI0 40

AB 58 IAIB 58 f (I0) = ?

O 37 I0I0 37

Ukupno 300 300 600

Udio (frekvencija): f =broj X / ukupni broj

f (A) =105 / 300 0.35

f (B =100 / 300 0.33

f (AB) =58 / 300 0.19

f (AB) =58 / 300 0.12

Σ = 1.00

Distribucija krvnih grupa (Rijeka, 2007)

Fenotip Broj Genotip Broj Aleli

A 105 IAIA 70

IAI0 35 f (IA) = ?

B 100 IBIB 60 f (IB) = ?

IBI0 40

AB 58 IAIB 58 f (I0) = ?

O 37 I0I0 37

Ukupno 300 300 600

f (IAIA) =70 / 300 0.23

f (IBIB) =60 / 300 0.20… …

Σ = 1.00

Populacijska genetika

Kombinira Darwinovu teoriju selekcije (evolucije) i Mendelove zakone nasljeñivanja

Evolucija = postupna promjena fenotipskih (genotipskih) frekvencija u populaciji organizama kao posljedica različitog reproduktivoguspjeha jedinki populacija jedinki bolje prilagoñenih okolini od svojih predaka.

Dugotrajna evolucija dovodi do specijacije, procesa kojim, tijekom vremena,

jedna vrsta evoluira u različitu vrstu (anageneza) ili se

iz jedne ishodišne vrste razviju dvije ili više novih vrsta (kladogeneza).

Populacijska genetika

Oplemenjivanje bilja i životinja, kojim se stvaraju nove poboljšane sorte bilja i pasmine životinja je zapravo ubrzana evolucija uz pomoć čovjeka.

Dogaña se kroz postupna promjena fenotipskih (genotipskih) frekvencija

u oplemenjivačkim populacijamakultiviranih biljaka i domaćih životinja kao posljedica selekcije koju provodi

čovjek

Vrsta)=skupinu organizama, koji se mogu meñusobno sparivati (oploñivati, reproducirati)

Većina vrsta je sastavljena od prirodnih populacija, koje su i same obično podijeljene u djelomično izolirane lokalne populacijeMendelovskom populacijom - smatramo skupinu organizama iste vrste, koji prebivaju na odreñenom geografskom području i meñusobno se sparuju (oploñuju).

Bazen gena ili gameta (Genski ili gametni skup) neke populacije je ukupnost gena u populaciji u odreñenom vremenu.

Ženske jedinke (organi)

Muške jedinke (organi)

Bazen gena ili gameta

Uzmimo da je p = frekvencija alelaAq=frekvencija alelaa

Mendelovskom populacijomsmatramo skupinu organizama iste vrste, koji

prebivaju na odreñenom geografskom području i meñusobno se sparuju (oploñuju).

Relativna frekvencija alela : 0 -1 p + q = 1

♂ p q

♀ A a

p2 pq

AA Aa

pq q 2

Aa aaa

p

A

q

SLUČAJNA OPLODNJA

p2 AA + 2pq Aa+ q2 aa = 1

Hardy-Weinbergov zakon ravnoteže

p2 AA + 2pq Aa+ q2 aa = 1

-očekivane frekvencije genotipova u potomstvu na osnovi roditeljskih

frekvencija alela

♂ 0.5 0.5

♀ A a

0.5 0.5

AA Aa

0.5 0.5

Aa aaa

0.5

A

0.5

0.5 2 AA + 2 x0.5 2 Aa+ 0.5 2 aa = 1

2 2

2 2

0.25 AA + 0.5 Aa+ 0.25 aa = 1

♂ 1/2 1/2

♀ A a

1/2 1/2

AA Aa

1/2 1/2

Aa aaa

1/2

A

1/2

♀Aa x ♂ Aa

1/22 AA + 2 x1/22 Aa+ 1/22 aa = 1

2 2

2 2

1/4 AA + 2/4 Aa+ 1/4 aa = 1 (F2 )

♂ p q

♀ A a

p2 pq

AA Aa

pq q 2

Aa aaa

p

A

q

SLUČAJNA OPLODNJA

p2 AA + 2pq Aa+ q2 aa = 1

Hardy-Weinbergov zakon ravnoteže

Pretpostavke za Hardy-Weinbergovuravnotežu:

1. slučajna oplodnja (panmixis)

2.beskonačno velika populacija

3. nema mutacija

4. nema migracija

5. nema selekcije

I d e a l n a p o p u l a c i j a

Odstupanja od Hardy-Weinbergove ravnoteže:

1. Mala populacija (beskonačno velika populacija)

2. Oplodnja nije slučajna (slučajna oplodnja)

3. U populaciji prisutna selekcija (nema selekcije)

4. U populaciji se dogañaju mutacije (nema mutacija)

5. Postoje migracije (nema migracija)

Stvarne populacije ≈ I d e a l n a p o p u l a c i j a

1. Mala populacija : Genetski drift (pomak, zanošenje) = slučajna promjena frekvencije alela

5/10 biljaka

ostavlja potoms

tvo

2/10 biljaka

ostavlja potoms

tvo

POSLJEDICE: -smanjenje genetske varijabilnosti (fiksacija ili gubitak alela)

-povećanje udjela homozigota u populaciji (inbriding)-raslojavanje populacije na više subpopulacija

p(R) = 0.7 q(r) = 0.3

p(R) = 1.0 q(r) = 0.0

p(R) = 0.5 q(r) = 0.5

Dva faktora mogu uzrokovati genetski drift:1. Učinak uskog grla 2. Osnivački učinak

a) Učinak uskoga grla može dovesti do smanjene genetske varijabilnosti nakon neke velike katastrofe kojom nestaje veliki dio populacije. Frekvencija alela u preživjeloj populaciji obično ne odgovara frekvencijama alela u izvornoj populaciji

Izvorna populacija

Dogañaj koji uzrokuje usko

grlo

Preživjeli dio populacije

b) Osnivački učinak može dovesti do promjene frekvencije alela u slučaju kada mali broj individua iz velike populacije naseli neko izolirano stanište;

posljedica je i smanjenje varijabilnosti (fiksacija odnosno gubitak alela)

Odstupanja od Hardy-Weinbergove ravnoteže:

1. Mala populacija (beskonačno velika populacija)

2. Oplodnja nije slučajna (slučajna oplodnja)

3. U populaciji prisutna selekcija (nema selekcije)

4. U populaciji se dogañaju mutacije (nema mutacija)

5. Postoje migracije (nema migracija)

Stvarne populacije ≈ I d e a l n a p o p u l a c i j a

2. Slučajna oplodnja – jednaka vjerojatnost sparivanja bilo koja dva genotipa u populaciji

ODSTUPANJE OD SLUČAJNE OPLODNJE:-POZITIVNO SVRSTAVAJUĆE SPARIVANJE

-NEGATIVNO SVRSTAVAJUĆE SPARIVANJE

MIJENJA SE FREKVENCIJA GENOTIPOVA

(NE MIJENJA SE FREKVENCIJA

ALELA)

3. U populaciji prisutna selekcija :

-svi genotipovi nemaju jednak mortalitet i jednaku reproduktivnu sposobnost =prirodna selekcija

-oplemenjivač bira poželjni fenotip (genotip)

4. Ima mutacija: A u a i a u A

5. Ima migracija (imigracija niti emigracija)

Genetski drift, selekcija, mutacije i migracije

mijenjaju frekvenciju alelau populaciji

Odstupanje od slučajne oplodnje

ne mijenja se frekvencija alela u populaciji

Hardy-Weinbergov zakon ravnoteže

Koristi se za opis statične populacije – populacije koja ne evoluira (frekvencija fenotipova, genotipova i alela se ne mijenja iz generacije u generaciju).

Za prirodne populacije se ne očekuje da su u Hardy-Weinbergovoj (H-W) ravnoteži - odstupanje od H-W ravnoteže normalno rezultira u evoluciji. Oplemenjivačke populacije-poremećena ravnoteža

Razumijevanje neevoluirajuće populacije olakšava nam razumijevanje načina na koji se dogaña evolucija

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Frequency of A 2

Gen

otyp

e fre

quen

cyaaAA

Aa

Frekvencija a

Fre

kven

cija

gen

otip

ova

2. U slučaju da populacija nije u ravnoteži, jedna generacija slučajne oplodnje je dovoljna da ju dovede u genetičkiu ravnotežu, u kojoj će ostati (s nepromijenjenom frekvencijom alela i genotipova) sve dok su

ispunjeni uvjeti koje postavlja Hardy-Weinbergov zakon.

1. Ne dolazi do promjene gametnih(alelnih) niti zigotnih(genotipskih)frekvencija iz generacije u generaciju.

KOD ISPUNJENIH UVJETA ZA H-W ZAKON :

Primjer 1: f(A) = f(a); p = q = 0,5

0,52 AA + 2 x 0,5 x 0,5 Aa + 0,52 aa = 1

0,25 AA + 0,5 Aa + 0,25 aa = 1

Primjer 2: f(A) = f(a); p = 0,8; q = 0,2

0,82 AA + 2 x 0,8 x 0,2 Aa + 0,22 aa = 1

0,64AA + 0,32 Aa + 0,04 aa = 1

f (A1A1) = D/N = P

A1A1A1A2 A2A2

A1A1

A1A1A1A2

A1A2

A1A2A1A2

A2A2

Izračunavanje frekvencije alela kod kodominantnog odnosa izmeñu alela

f (A1A2) = H/N = H’

f (A2A2) = R/N = Q

A1A1D = broj

H = broj

R = broj

A1A2

A2A2

p (A1) = (2D + H)/2N = D/N + ½ H/N; p = P + ½ H‘

q (A2) = (2R + H)/2N = R/N + ½ H/N; q = Q + ½ H'

p + q = 1

A1 = A2

ACAC ACAB ABAB

350 + 100 + 50 = 500

P =350/500 = 0.7

H’ =100/500 = 0.2

Q =50/500 = 0.1

p (AC) = P + ½ H’ = 0.7 + ½ (0.2) = 0.7 + 0.1

p (AC) = 0.8

q (AB) = Q + ½ H’ = 0.1 + ½ (0.2) = 0.1 + 0.1

q (AB) = 0.2

p +q = 1

Primjer izračunavanja frekvencije alela kod koodominantnog nasljeñivanja

ACAC ACAB ABAB

320 + 160 + 20 = 500

P =320/500 = 0.64

H’ =160/500 = 0.32

Q =20/500 = 0.04

p (AC) = P + ½ H’ = 0.64 + ½ (0.32) = 0.64 + 0.16

p (AC) = 0.8

q (AB) = Q + ½ H’ = 0.04+ ½ (0.32) = 0.04 + 0.16

q (AB) = 0.2

p +q = 1

Primjer izračunavanja frekvencije alela kod kodominantnog nasljeñivanja

Frekvencija genotipova nakon jedne generacije slučajne oplodnje

Frekvencija genotipova u

potomstvu ovisi o frekvenciji alela

u prethodnoj generaciji, a ne o

frekvenciji genotipova u prethodnojgeneraciji

ACAC ACAB ABAB ACAC ACAB ABAB

350 + 100 + 50 320 + 160 + 20

p (AC) = 0.8

q (AB) = 0.2

SLUČAJNA OPLODNJA

P =0.64 P =0.32 P =0.04

320 + 160 + 20

POPULACIJA 1 POPULACIJA 2

p (A) = P + ½ H‘

q (a) = Q + ½ H'

Izračunavanje frekvencije alela kod dominantno-recesivnog odnosa izmeñu alela

AA

aa

Aa

AA

Aa Aa

AA

aa

Aa

aa

Hardy-Weinbergov zakon ravnoteže

p2 AA + 2pq Aa+ q2 aa = 1

Aa

Aa

q (a) = √q2

p (A) = 1 - q

A > a