OBSAH

1 ÚVOD DO GENETIKY

1.1 Co je živá bytost (co je živý systém)?

1.2 Co je genetická informace? Co jsou geny?

2 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI (ZNAKY) ŽIVÉ HMOTY

3 NUKLEOVÉ KYSELINY DNA, RNA

4 PROTEINY

5 EXPRESE GENU

5.1 Exprese genu podrobněji

6 TRANSKRIPCE

7 TRANSLACE

8 ÚSTŘEDNÍ DOGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE

9 REPLIKACE DNA

10 MUTACE

10.1 Bodové mutace

10.2 Strukturní aberace chromozomů

10.3 Numerické aberace chromozomů

11 RIBOZOMÁLNÍ  RNA – rRNA

11.1 Prokaryotický ribozom

11.2 Eukaryotický ribozom

12 TRANSFEROVÉ  RNA – tRNA

13 ZROD GENETIKY

14 ZROD MOLEKULÁRNÍ GENETIKY A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE

15 ZÁVĚR

16 SLOVNÍČEK POJMŮ

17 POUŽITÁ LITERATURA

1 ÚVOD DO GENETIKY

1.1 Co je živá bytost (co je živý systém)?

Živá bytost je přírodní automat (= přírodní robot), který je vystavěn na základě instrukcí uložených v genech (v DNA) a který funguje na základě instrukcí uložených v genech (v DNA).

To, že funguje, znamená, že vykonává jednoduché, složité i nesmírně složité činnosti (a všechny je vykonává na základě informací uložených v genech).

K nesmírně složitým činnostem patří duševní činnost mozku. Mozek je mimořádně složitá síť miliard nervových buněk vzájemně pospojovaných zákonitým způsobem podle instrukcí uložených v genech – tedy i psychické vlastnosti jsou podmíněny geny.

1.2 Co je genetická informace? Co jsou geny?

Genetická informace je „program“, na jehož základě jsou vystavěny živé systémy (buněčné organismy a viry) a na jehož základě živé systémy fungují. Materiálně jde o molekuly nukleových kyselin: DNA – deoxyribonukleová kyselina, RNA – ribonukleová kyselina. Říkáme, že DNA je nositelkou genetické informace. RNA je nositelkou genetické informace jen u některých virů. Obr.3.25

Genetická informace obsahuje geny – jednotky genetické informace. Jde o určité úseky DNA (případně RNA u RNA-virů). V genech je zapsána veškerá informace o vlastnostech organismu (případně viru). Jde o vlastnosti anatomické a morfologické, vlastnosti fyziologické i vlastnosti psychické.

Jednotlivé geny mohou mít více variant (podob, forem) – jednotlivým variantám genu říkáme alely (česky též vlohy). Např. barva květů určité rostliny je podmíněna nějakým genem („gen pro barvu květu“). Jedna varianta toho genu může podmiňovat fialovou barvu („alela pro fialovou barvu květu“), druhá třeba barvu bílou („alela pro bílou barvu květu“).

Souhrn všech genů určitého jedince, přesněji souhrn všech jejich variant – tedy souhrn alel tohoto jedince – se označuje jako jeho genotyp. Souhrn všech znaků jedince nazýváme fenotyp. Je výsledkem působení genotypu (je určen genotypem), ale je ovlivněn (modifikován) působením vlivů prostředí, v němž daný jedinec žije. Např. táž rostlina by byla menší, pokud by rostla v půdě s nedostatkem živin a vody.

Právě genotyp je to, co dědíme od rodičů (nebo od rodiče – u nepohlavně se rozmnožujících organismů). Při pohlavním rozmnožování živočichů předává rodič jen polovinu svých alel. Druhou polovinu alel (jde o alely týchž genů) získá potomek od druhého rodiče – je to jeden z hlavních důvodů, proč potomek není úplně stejný jako jeho rodiče (později si vysvětlíme, proč není ve svých vlastnostech ani jejich „aritmetickým průměrem“).

U rostlin situaci poněkud komplikuje rodozměna – střídání diploidního sporofytu a haploidního gametofytu; jenže u většiny „normálních“ rostlin vnímáme jen sporofyty a dědičnost ze sporofytu na následující sporofyt se řídí stejnými pravidly jako dědičnost z živočicha na potomka (stále máme na mysli pohlavní rozmnožování).

Od rodičů nedědíme vlastnosti (fenotyp), ale vlohy, tj. alely (polovinu  genotypu každého z nich)!

Potomci dědí od svých rodičů alely (vlohy) a na základě zděděných sestav alel se utvářejí jejich vlastnosti. Různé sestavy alel vedou k poněkud odlišným potomkům, tj. potomci týchž rodičů jsou navzájem i ve vztahu ke svým rodičům různorodí, rozmanití, variabilní. Zákonitosti zmíněných procesů i další jiné zákonitosti, které vedou k další proměnlivosti v rámci biologického druhu (např. v průběhu evoluce), zkoumá vědní obor genetika.

Genetika je věda o dědičnosti a proměnlivosti (rozmanitosti, variabilitě).

Genetika zkoumá pravidla dědičnosti (pravidla přenosu alel z rodičů na potomky) a příčiny rozmanitosti mezi potomky. Ve skutečnosti jde o jedinou věc, která má dvě strany, tak jako má mince rub a líc: rozmanitost potomků je důsledkem pravidel dědičnosti.

Základní pravidla dědičnosti (a tedy i rozmanitosti) svými systematicky prováděnými pokusy objevil počátkem druhé poloviny 19. století brněnský přírodovědec (ale nikoliv biolog) Johann Gregor Mendel (1822 – 1884). Své výsledky zveřejnil v roce 1865 v Brně v tehdejším Rakousku (rakouská monarchie). Právě on také zjistil, že se dědí vlohy a nikoliv vlastnosti.

Jiné příčiny genetické (= dědičné) proměnlivosti jsou molekulární povahy nebo jsou důsledkem chyb při meióze. Zkoumá je molekulární biologie nebo cytologie. Příslušné změny (mutace) jsou náhodné; jsou sice důsledkem zákonitých procesů, ale to, zda vzniknou a kdy a co se konkrétně změní, a dále to, jaké to bude mít důsledky (ve fenotypu, případně u potomků), je věc náhody. Později se s některými typy mutací a jejich příčinami seznámíme.

2 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI (ZNAKY) ŽIVÉ HMOTY

• autoreprodukce (rozmnožování),
• dědičnost a jistá proměnlivost (variabilita),
• schopnost evoluce (= postupného vývoje),
• metabolismus (látkový metabolismus, energetický metabolismus).

1. Jedinečnou vlastností živé hmoty je schopnost autoreprodukce (rozmnožování), tj. schopnost vytvářet potomstvo – více méně přesné kopie svých rodičů. (Rodiče dříve či později zanikají nebo hynou.)
2. S reprodukcí je spjata dědičnost a jistá proměnlivost (variabilita). Dědičnou (= genetickou) informaci představují molekuly DNA. U eukaryotických buněk je uložena v jádře, u buněk prokaryotických v cytosolu.
3. Živá hmota je produktem 4 miliardy let trvající evoluce (= postupného vývoje), která se děje cestou přírodního výběru.
4. Životní činnost každé živé bytosti vyžaduje přísun materiálu a energie, zahrnuje přeměnu materiálu (látek) a energie – tento proces se nazývá metabolismus (látkový metabolismus, energetický metabolismus).

První dvě vlastnosti spolu úzce souvisí – bez dědičnosti nemůže existovat autoreprodukce. Proto bychom mohli obě vlastnosti spojit do jediné: autoreprodukce spjatá s dědičností. Tato vlastnost je primárním atributem živé hmoty. Je zajišťována molekulami DNA, které uchovávají a rozmnožují („kopírují“) genetickou (dědičnou) informaci a v procesu rozmnožování organismů (nebo virů) ji přenášejí z generace na generaci.

Podstatou života je rozmnožování molekul DNA (nebo RNA), tedy rozmnožování genetické informace. Buňky a organismy jsou de facto jen účelnými „schránkami“ na genetickou informaci, které umožňují její bezpečné a efektivní rozmnožování. To je také jediným smyslem jejich existence. Organismy jsou nástroje (zařízení) na rozmnožování DNA.

Podstatou rozmnožování DNA, a tedy i rozmnožování buněk a organismů (jež jsou k tomuto účelu podle informace v DNA vybudovány), je pokud možno co nejpřesnější kopírování DNA – tomu ději se říká replikace DNA.

Animace

Z chemické povahy složek, z nichž je DNA zbudována, však plyne, že při replikaci DNA dochází výjimečně a náhodně k zákonitým chybám (bodové mutace). Tím se vytváří genetická variabilita (různorodost) a ta se projevuje i na úrovni buněk a organismů. Chybovost replikace DNA vede ke smrti nebo k jedincům s více či méně odlišnými vlastnostmi, mezi něž patří i různá míra produkce potomků: Kdo zanechá víc potomků, přežívá v podobě své DNA v budoucích generacích, ten, kdo jich zanechá méně, i se svou variantou DNA ze světa zmizí. To je přírodní výběr a základ procesu zvaného evoluce. Obr. 12.19

Evoluce občas vede ke zjednodušení organismů, ale celkově (globálně) má za následek zvyšování složitosti (komplexity) živých soustav. Sama genetická informace se celkově stává složitější a složitější a je i složitěji organizovaná – např. v jádře eukaryotních buněk v podobě chromatinu nebo chromozomů. Složitějšími se v průběhu evoluce stávají i procesy rozmnožování buněk a organismů – objevuje se např. mitóza a meióza. Tyto složité děje jsou i novým zdrojem nových druhů chyb při předávání kopií DNA potomkům, jsou zdrojem nových typů mutací (strukturní aberace chromozomů, numerické aberace chromozomů). A to vše vede k obohacení tvořivosti evoluce, neboť mutace všech typů (spolu s pohlavním rozmnožováním) jsou zdrojem této tvořivosti.

Mutace = náhodné genetické změny; rozlišujeme tři druhy mutací: bodové mutace, strukturní aberace chromozomů, numerické aberace chromozomů. Mutacím bude věnovaná jedna z dalších kapitol.

Všechny základní vlastnosti živé hmoty se odvíjejí od DNA (příp. RNA). Nukleové kyseliny – zejména DNA – jsou tedy základním (klíčovým) materiálem všeho živého – jsou nositelkami genetické (= dědičné) informace. K jejímu uskutečnění (realizaci, expresi) používají nástroje, kterými jsou proteiny (bílkoviny). Proteiny jsou vykonavateli genetické informace.

Mezi DNA, RNA a proteiny je velmi těsný vztah: většina genů představuje instrukce pro sestavení určitých proteinů, tj. podle struktury genů se vytváří struktura proteinů (takovým genům se proto říká strukturní geny). Takto vytvořené proteiny pak v buňce nebo v mnohobuněčném organismu plní svůj úkol a tím realizují genetickou informaci. Jiné geny určují strukturu některých druhů RNA, které mají v buňkách specifické úkoly.

Jsou to ribozomální RNA (rRNA), transferové RNA (tRNA) a některé další RNA. S rRNA a tRNA se seznámíme později.

Při syntéze proteinů se nejprve procesem zvaným transkripce přepíše struktura příslušného genu do mediátorové RNA (mRNA), v dalším kroku zvaném translace se převede (přeloží) struktura mRNA do struktury proteinu.

Animace

Strukturní geny nesou informaci o struktuře proteinů, jiné geny o struktuře některých RNA. Při syntéze proteinů a různých druhů RNA se přenese informace z genů (z DNA) do proteinů a RNA. Všechny zmíněné druhy molekul (DNA, RNA, proteiny) v sobě nesou v nějaké podobě genetickou informaci, a proto se označují jako informační makromolekuly. Obor, který se zabývá jejich studiem, konkrétně jejich vzájemnými interakcemi a jejich funkcemi v živých systémech, se nazývá molekulární biologie. Počátky molekulární biologie spadají do poloviny 20. století.

Obrázek č. 1: Syntéza proteinů

Stručně, ale ne příliš přesně lze říci, že molekulární biologie zkoumá fungování živých systémů na úrovni informačních makromolekul – nukleových kyselin (DNA, RNA) a proteinů.

A přesněji:

Molekulární biologie zkoumá živé systémy na úrovni biologických makromolekul (především informačních – nukleových kyselin a proteinů): zkoumá vztah mezi strukturou, interakcemi a uspořádáním těchto molekul na jedné straně a jejich funkcemi v základních životních dějích na straně druhé.

3 NUKLEOVÉ KYSELINY DNA, RNA

Nukleové kyseliny, zejména DNA, jsou největšími přirozenými makromolekulárními látkami. Jde o nevětvené polymery vzniklé zřetězením tzv. nukleotidů (stavební kameny nukleových kyselin). Každý nukleotid má tři části:

• dusíkatá báze (adenin, guanin, tymin, cytozin, uracil – A, G, T, C, U),
• cukr pentóza (ribóza, deoxyribóza),
• kyselina fosforečná

Obrázek č. 2: Cukr (ribóza, deoxyribóza)

Obrázek č. 3: Dusíkaté báze

Deoxyribonukleová kyselina – DNA (hlavní genetický materiál) je sestavena ze dvou navzájem se ovíjejících řetězců nukleotidů s deoxyribózou a s dusíkatými bázemi A, G, T, C. Jde tedy o dvoušroubovici. V ní se proti sobě párují nukleotidy s A proti nukleotidům s T a nukleotidy s G proti nukleotidům s C.

A se váže s T dvěma vodíkovými můstky, G s C třemi vodíkovými můstky. Oba řetězce jsou tedy navzájem komplementární, pravidla párování bází jsou A – T, G – C.

Obr. 11.6, Obr. 9.6, Animace

DNA je dvouřetězcová, velmi dlouhá vláknitá molekula, která je uvnitř buněk uspořádána do účelných prostorových tvarů v důsledku toho, že je zákonitým způsobem navázána na specifické bílkoviny – např. v jádrech eukaryotních buněk na bílkoviny zvané histony (viz chromatin).

Obrázek č. 4: Struktura DNA

Ribonukleová kyselina – RNA je jednořetězcová, její nukleotidy obsahují ribózu a dusíkaté báze A, G, U, C (místo tyminu je uracil). RNA je sice řetězec nukleotidů, ale obvykle nezaujímá v prostoru vláknitou podobu: určitá místa řetězce se totiž párují s jinými úseky za vzniku velmi krátkých dvoušroubovic, takže molekula jako celek zaujme nějaké prostorové uspořádání v podobě chuchvalce charakteristického tvaru, který podmiňuje její konkrétní funkci. (Jen mRNA si uchovává vláknitou podobu).

Obrázek č. 5: Struktura RNA

4 PROTEINY

Proteiny (bílkoviny) jsou složitě stavěné molekuly z jedné až několika podjednotek tvořených uspořádaným poplypeptidovým vláknem (polypeptidem). Polypeptid je nevětvený řetězec (polymer) vzniklý spojením mnoha desítek až několika stovek aminokyselin navzájem spojených peptidovou vazbou: – CO – NH –. Aminokyselin, z nichž se polypeptid sestavuje, je 20 druhů, např. valin, serin, prolin, tryptofan aj. (některé se pak mohou dodatečně chemicky upravovat ještě na jiné druhy, např. na hydroxyprolin odvozený od prolinu).

Primární strukturou polypeptidu rozumíme sekvenci (sled, pořadí) aminokyselin, které jej tvoří. Obr.3.6 (a)

Sekundární struktura – α-helix (α-šroubovice) nebo β-struktura (skládaný list) – se vytváří jen na některých úsecích polypeptidu a je podmíněna přítomností sekvencí aminokyselin s vlastnostmi potřebnými pro vytvoření těchto struktur. Obr.3.6 (b,c)

Terciární struktura je prostorové uspořádání polypeptidu – i to je dáno přítomností aminokyselin s určitými chemickými vlastnostmi v určitých pozicích řetězce. (Tedy terciární i sekundární struktura se odvozuje z primární struktury.) Jde obvykle o nějaký víceméně kulovitý chuchvalec nebo vláknitě protáhlé uspořádání. Obr.3.6 (d)

Kvartérní struktura se týká celého proteinu: je to struktura (prostorové uspořádání), která vznikne po spojení všech polypeptidů (v podobě své terciární struktury) tvořících dohromady protein. Jednotlivé polypeptidy, které jako stavební kameny (monomery) molekulu proteinu tvoří, mohou být navzájem různé, nebo jsou některé z nich (nebo všechny) stejné.
Např. lidský hemoglobin je tetrametr složený ze dvou dvojic monomerů: ze dvou monomerů – řetězců α – a dvou monomerů – řetězců β  (a nebílkovinné složky - hemu). 

Obrázek č. 6: Struktura proteinu

Proteiny, které se syntetizují v organismech, nejsou nahodilými makromolekulami, ale jde o tvarem i funkcí účelné molekuly (vytvořené v procesu evoluce), které v buňce či v mnohobuněčném těle plní nějaké specifické funkce.

Právě tvarová rozmanitost proteinů spolu s pestrostí chemických vlastností různých míst na jejich povrchu (tedy „stereochemický“ tvar molekul proteinů) umožňuje proteinům vykonávat neobyčejně pestrou škálu funkcí v buňkách i v celých organismech. Tou nejdůležitější jejich funkcí je funkce katalytická – schopnost katalyzovat rozmanité biochemické reakce. Těmto biokatalyzátorům biochemických reakcí říkáme enzymy; vždy jde o protein nebo o protein spojený s nějakou nebílkovinnou složkou (např. molekulou vitamínu, atomem kovu aj.). Vzhledem k tomu, že život buňky či organismu je fakticky sled a spleť obrovského množství biochemických reakcí (katalyzovaných rozmanitými enzymy), lze proteiny chápat jako nejdůležitější molekuly života. Tak je také chápali biologové 19. a první poloviny 20. století („Život je způsob existence bílkovin.“).

Kde se ale berou jednotlivé typy proteinů, jak vznikají? Na tyto otázky přinesl odpověď vznikající obor zvaný „molekulární biologie“ na počátku druhé poloviny 20. století. Proteiny, přesněji primární struktura polypeptidů, je určována geny, tedy určitými úseky DNA. Jinak řečeno, geny jsou instrukce pro vytvoření primární struktury polypeptidů, a tedy v důsledku toho i struktury sekundární, terciární a kvartérní – tj. geny jsou instrukce pro vytvoření proteinů. DNA (genetická informace) je program, souhrn instrukcí, zatímco proteiny jsou „pouhými“ vykonavateli tohoto programu.

Z uvedeného plyne, že nejdůležitějšími molekulami života jsou molekuly DNA, příp. RNA („Život je způsob existence nukleových kyselin.“). Proteiny jsou jen molekulární nástroje genů. Bez nich by se ovšem – v dnes existujících živých systémech – genetická informace nemohla realizovat.

5 EXPRESE GENU

Exprese genu = vyjádření genu = uskutečnění genu = realizace genu. Je to cesta od genu ke znaku. Vysvětleme si to na jednoduchém příkladu: Barva květu hrachu je znak. Jsou známy dvě formy tohoto znaku – fialová barva (fialový květ) a bílá barva (bílý květ). Zmíněný gen má dvě alely – alelu pro fialovou barvu květu a alelu pro jeho bílou barvu. Mezi alelou (instrukcí) a výsledkem – konkrétní barvou květu – je určitá dlouhá zákonitá cesta, kterou představuje sled biochemických dějů (reakcí):

Gen (úsek DNA) → mRNA → protein (enzym) → enzymová reakce → produkt → znak

(První krok je transkripce, druhý translace.) 

Animace 1, Animace 2

1. Gen, tedy jeho konkrétní forma – alela – se přepíše do mRNA (transkripce).
2. Informace  obsažená v mRNA se převede (přeloží) do struktury proteinu (translace).
3. V případě, že protein má funkci enzymu, následuje jeho působení, tj. katalyzuje nějakou biochemickou reakci – proběhne tedy enzymová reakce.   (Animace)
4. Výsledkem enzymové reakce je určitý produkt – v našem příkladu je tímto produktem fialové barvivo.
5. Přítomnost fialového barviva znamená, že květy budou fialové (a to je jedna z forem znaku).

Shrnutí: alela pro fialovou barvu květů má za následek fialovou barvu květů. (Ještě zdůrazněme, že uvedený příklad exprese genu probíhá v buňkách korunních lístků květu a ne třeba v buňkách běžných listů nebo v buňkách kořene.)

Uvedený model exprese platí obecně, ale v konkrétních případech se uskutečňuje v určitých modifikacích. Tak např. jak by proběhla exprese alely pro bílou barvu květů:

1. Alela pro bílou barvu se přepíše do mRNA (transkripce).
2. Informace  obsažená v mRNA se převede (přeloží) do struktury proteinu (translace).
3. Zatímco alela pro fialovou barvu květu kódovala funkční formu enzymu, alela pro bílou barvu kóduje jeho nefunkční formu: enzym tedy vzniká, ale v nefunkční podobě, bez katalytické funkce (je to fakticky nefunkční zmetek). Enzymová reakce proto nenásleduje.
4. Produkt se netvoří, barvivo nevzniká.
5. Za nepřítomnosti barviva v buňkách květů (korunních lístků) zůstávají květy bílé (to je ta druhá z forem znaku).

Známe-li biochemickou podstatu působení alel, můžeme hovořit o alele funkční a o alele nefunkční. V našem příkladu je funkční alelou alela pro fialovou barvu květů, zatímco alela pro bílou barvu květů je nefunkční. Označení funkční a nefunkční alela není tak docela správné – alely nijak nefungují, jsou to jen instrukce pro sestavení enzymu. Teprve odpovídající formy enzymu jsou funkční nebo nefunkční (nebo také částečně funkční nebo i hyperfunkční). Nefunkční enzym je zmetek, který nemá katalytickou funkci.

Jako funkční alelu označujeme alelu kódující funkční formu enzymu, jako nefunkční označujeme tu alelu, která kóduje nefunkční formu enzymu.

Jak je to s dědičností barvy květu u hrachu, zkoumal ve svých experimentech i zakladatel genetiky Johann Gregor Mendel. Zkřížením bělokvěté odrůdy a odrůdy fialovokvěté získal křížence, kteří nesli – jak Mendel správně vyvodil – vlohy (alely) pro obě formy znaku, přestože kříženci kvetli fialově. 

Mendel ve své době nemohl vědět nic o biochemické podstatě exprese genů, a tak učinil závěr, že alela pro fialovou barvu květů je dominantní nad alelou pro bílou barvu květů (a naopak, že ta druhá je recesivní vůči první). To proto, že u kříženců o podobě znaku rozhodla („při rozhodnutí měla dominantní postavení“) alela pro fialovou barvu květů.

(P – alela pro fialovou barvu květů,  p – alela pro bílou barvu květů.)

Obrázek č. 7: Exprese alel genu

Jak je to ve skutečnosti? Zmínění kříženci nesli ve svých buňkách obě alely zmíněného genu a v buňkách korunních lístků probíhala exprese obou alel. Podle jedné se tvořila funkční forma enzymu, podle druhé jeho forma nefunkční. Enzymy jsou zpravidla vysoce účinné, takže i poloviční množství molekul enzymu může stačit k tomu, aby příslušná enzymová reakce (v našem případě tvorba fialového barviva) proběhla v dostatečném rozsahu. Kříženci proto měli květy plně fialové.

V uvedeném příkladu – a v mnoha dalších případech – je dominantní alela totéž co funkční alela a recesivní alela je totéž co nefunkční alela. Obecně (u jiných znaků a jiných genů) to tak jednoduché být nemusí, neboť biochemická podstata exprese genu může být značně jiná.

Mendelovy pojmy „dominantní alela“ a „recesivní alela“ patří do „zlaté pokladnice“ klasické genetiky a pro svoji názornost a jednoduchost patří mezi základní (a praktické) pojmy, přestože samy o sobě vůbec nic nesdělují o biochemické podstatě exprese příslušných genů. Jsou jenom vnějškovým projevem této exprese.

Klasická genetika si všímá znaků, studuje, v jakých podobách a s jakou četností (případně v jakých kombinacích) se vyskytují u potomků, a předpokládá, že za tím vším stojí alely, které jsou dominantní nebo recesivní (případně neúplně dominantní nebo bez dominance). Dominance a recesivita alel (ať už je biochemická podstata exprese příslušných genů jakákoliv) vede k charakteristickým fenotypovým štěpným poměrům, které jsou od Mendelových experimentů dosud základním prostředkem vyjádření výsledků hybridizačních experimentů (pokusů s křížením).

Na rozdíl od klasické genetiky molekulární genetika a molekulární biologie soustřeďují svou pozornost na biochemickou podstatu exprese genů. Z tohoto hlediska jsou dominance a recesivita v podstatě jen „prázdné“ pojmy.

Uveďme ještě jeden příklad, „jak pracuje“ funkční alela a nefunkční alela. K párovým znakům, které zkoumal J. G. Mendel, patřil i kulatý tvar hrachů a svrasklý tvar hrachů. Alela (označená např. R), která určuje kulatý tvar, se jeví jako dominantní, alela (označená r) pro svrasklý tvar, je recesivní. Hrachy, které jsou kulaté, obsahují větvené molekuly škrobu, hrachy svrasklé molekuly nevětvené. Alela R určuje enzym, který přeměňuje nevětvené molekuly škrobu na větvené, alela r, která nepochybně vznikla mutací alely R, určuje nefunkční formu příslušného enzymu. Hrách kříženec, který nese dvojici alel Rr, vytváří ve svých buňkách obě formy enzymu. I poloviční množství funkční formy enzymu však stačí na to, aby se nevětvený škrob přeměňoval na větvený, takže hrachy (hrachoví jedinci, v době, když jsou ještě semeny) mají kulatý tvar. Obr 10.3

Obrázek č. 8: Funkční a nefunkční alela

5.1 Exprese genu podrobněji

Základní schéma exprese genu

Gen (úsek DNA) → mRNA → protein (enzym) → enzymová reakce → produkt → znak

je výstižné, ale zjednodušené:

1. Protein bývá obvykle složen z jednoho až několika polypeptidů. Gen určuje strukturu polypeptidu („Jeden gen – jeden polypeptid.“). Je-li např. protein tetrametrem čtyř různých polypeptidů, jsou k jeho syntéze nutné čtyři geny (a objeví se tedy i čtyři různé mRNA).
2. Enzymová reakce obvykle sestává z více kroků než z jednoho. Každý krok je katalyzován nějakým enzymem. Na vytvoření produktu je pak zapotřebí několika enzymů, tj. několika genů.

3. Znak může být výsledkem spolupůsobení několika produktů, takže se na vytvoření takového znaku podílí více genů.

4. Naopak některé geny svým působením mohou ovlivňovat vytváření mnoha různých znaků.

5. Mnohé proteiny mají jiné funkce, než je role enzymů (funkce stavební, protilátky, povrchové struktury buňky, některé hormony aj.), takže se ve výsledných znacích projeví jinými účinky než enzymy.

6 TRANSKRIPCE

Transkripce je přepis genetické informace z DNA (z genů) do mediátorové RNA (mRNA) nebo do jiných druhů RNA – ribozomální RNA (rRNA), transferové RNA (tRNA), malé jaderné RNA (snRNA) aj. Geny, které se přepisují do mRNA, jsou tzv. strukturní geny, neboť určují strukturu proteinů.

Transkripce probíhá v těch částech buňky, kde je uložena její DNA, tj.:

1. v cytosolu buněk bakterií a archeí,
2. v jádře eukaryotních buněk,  (Animace)
3. v matrix mitochondrií,
4. ve stromatu chloroplastů.

Obrázek č. 9: Transkripce

Na obrázku je znázorněno uspořádání genů typické pro bakterie: geny, jejichž činnost spolu souvisí, bývají sdruženy za sebou a při transkripci se přepisují do jediné mRNA. Taková skupina genů se nazývá operon. Operon má jeden společný promotor a společný operátor – úsek za promotorem, na který se připojují regulační proteiny. Jsou-li připojeny, brání jako jakási „závora“ v posunu RNA-polymerázy z promotoru ke genům, které má přepisovat, takže transkripce se nemůže uskutečnit. Podmínkou uskutečnění transkripce je tedy nejen připojení RNA-polymerázy na promotor, ale i to, že regulační proteiny nejsou připojeny na operátor. Obr.13.16

Transkripce je katalyzována enzymem RNA-polymerázou neboli transkriptázou. Tento enzym se připojuje na DNA v úseku zvaném promotor, který je před genem. Před promotorem a mezi promotorem a vlastním genem se nacházejí úseky DNA s regulační funkcí, k nimž se připojují tzv. transkripční faktory a jiné regulační proteiny umožňující jednak zahájení transkripce (připojení transkriptázy), jednak zastavení transkripce (znemožnění práce transkriptázy). Animace1, Animace2

Řízení (regulace) zahájení transkripce genů bývá obvykle složitý děj. Mnohé geny se totiž přepisují jen za určitých podmínek vnějšího i vnitřního prostředí buňky, aby transkripce, a tedy i tvorba produktů, které jsou příslušnými geny určovány, byla účelná. Molekuly, které podmiňují zahájení transkripce (tím, že se v potřebné sestavě připojí na regulační úsek DNA) se nazývají transkripční faktory.

Animace

Exprese genu může být regulována na kterékoliv své úrovni (na „cestě“ od genu ke znaku), regulace na úrovni transkripce je však základní a nejdůležitější.

Strukturní geny eukaryot nebývají uspořádané do operonů: každý gen má svůj promotor a příslušnou regulační oblast pro připojení transkripčních faktorů, pomocí nichž dochází k regulaci transkripce, a tedy i k regulaci exprese příslušného genu.

Pro eukaryotické geny je typické, že obsahují exony a introny (až v počtu několika desítek). Exony jsou kódující úseky, introny jsou úseky nekódující (introny si můžeme představit jako neúčelné kousky – úseky – DNA „nastrkané“ do genů). Při transkripci se však gen přepisuje jako celek – i s introny. RNA, která transkripcí vzniká se nazývá prekurzorová mRNA (pre-mRNA) nebo také heterogenní jaderná RNA (hnRNA). Po transkripci pak následuje děj zvaný sestřih, při němž jsou introny vystříhány a exony jsou spojeny k sobě. Tím vznikne molekula mRNA obsahující již pouze kódující sekvence.

Animace1, Animace2

Sestřih je děj, který následuje po transkripci. Uskutečňuje se v buněčném jádře. mRNA, která takto vznikne, je transportována póry v jaderné slupce do cytosolu a tam pak následuje translace.

Obr 14. 4

Obrázek č. 10: Sestřih

Animace

7 TRANSLACE

Translace je překlad genetické informace z mRNA do primární struktury polypeptidu. Je to první část syntézy proteinů. Probíhá v ribozomech za účasti transferových RNA (tRNA) a řady dalších faktorů. Je zajímavé, že při tom není zdrojem energie ATP, ale GTP.

Translace probíhá v těch částech buňky, kde se nacházejí ribozomy, tj.:

1. v cytosolu buněk bakterií a archeí,
2. v cytosolu eukaryotních buněk (Animace), 
3. v matrix mitochondrií,
4. ve stromatu chloroplastů.

Obrázek č. 11: Translace

Translace spočívá v tom, že se na ribozomech pomocí tRNA seřazují jednotlivé aminokyseliny podle trojic nukleotidů v mRNA a postupně se spojují do polypeptidu peptidovými vazbami. Genetická informace se tedy do primární struktury polypeptidů překládá po trojicích nukleotidů, zvaných triplety nebo kodony. Každé trojici nukleotidů v mRNA (triplet, kodon) odpovídá nějaká aminokyselina. Tu do příslušného místa dopravuje specifická tRNA, která se svým antikodonem (trojice nukleotidů), páruje s kodonem na mRNA.

Pouze tři triplety v mRNA nemají odpovídající tRNA, a tedy neznamenají žádnou aminokyselinu. Jsou to: UAG, UGA, UAA. Jde o tzv. terminační kodony, které při translaci znamenají ukončení syntézy polypeptidu. (Animace1, Animace2)

Obrázek č. 12: Translace – antikodon

Pravidlo, podle kterého se jednotlivým tripletům přiřazují aminokyseliny, se nazývá genetický kód. Byl rozluštěn v letech 1963 – 1966. Pro přehlednost se zapisuje v podobě obdélníkové nebo kruhové tabulky zvané „genetický kód“. 

Genetický kód je univerzální, tj. platí s drobnými odchylkami pro všechny druhy organismů. Každá z dvaceti standardních aminokyselin je určena jedním až šesti kodony (např. izoleucin je určen kodony AUU, AUC, AUC, leucin kodony UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG). Aminokyselina metionin je určena tripletem AUG. Tento kodon slouží i jako tzv. iniciační kodon, tj. právě od něj začíná translace.

Iniciace translace má tyto kroky:

1. malá podjednotka ribozomu se spojí s počátečním úsekem mRNA, takže iniciační kodon AUG se nachází vůči ribozomu v pozici P (v místě označovaném P = peptidylové místo),
2. k AUG se svým antikodonem UAC připojí příslušná tRNA nesoucí aminokyselinu metionin.
3. připojí se velká podjednotka ribozomu (Animace).

Následuje tzv. elongace, kdy se k dalším a dalším kodonům, jak jdou za sebou na mRNA, připojují svými antikodony odpovídající tRNA s příslušnými aminokyselinami (připojují se v místě označovaném A = aminoacylové místo). Po připojení nové aminokyseliny k již hotové části polypeptidového řetězce (tzv. nascentní řetězec) se celý komplex mRNA s dvojicí právě navázaných tRNA a s nascentním řetězcem posune vůči ribozomu o tři nukleotidy, odpojí se předchozí tRNA a uvolní se místo A pro další tRNA s aminokyselinou.  

Obr.12.11, Animace

Terminace translace: Jakmile se v místě A objeví některý z kodonů UAG, UGA, UAA (tzv. terminační kodony), ukončí se syntéza polypeptidu a za účasti uvolňovacího faktoru se celý „pracovní“ komplex rozpadne (na velkou a malou podjednotku ribozomu, mRNA, polypeptid, poslední přiřazenou tRNA, uvolňovací faktor).

Animace

8 ÚSTŘEDNÍ DOGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE

Ústřední dogma molekulární biologie vyjadřuje tok genetické informace v buňce – tzv. horizontální tok. Jde o tok genetické informace mezi různými druhy informačních molekul – DNA, RNA, polypeptidy. Zahrnuje procesy transkripce a translace (tok DNA → RNA → polypeptid) a tok RNA → DNA, který se nazývá zpětná (reverzní) transkripce. Zpětná transkripce se uplatňuje v životním cyklu retrovirů. Je též cenným nástrojem v genovém inženýrství.

DNA   ↔   RNA   →   polypeptid

9 REPLIKACE DNA

Replikace DNA je zdvojování („kopírování“) molekul DNA. Jde o tzv. vertikální tok genetické informace, tj. tok genetické informace z buňky na dceřiné buňky při rozmnožování (dělení) buněk a v konečném důsledku i z generace na generaci při rozmnožování organismů.

Princip replikace spočívá v tom, že se oba navzájem komplementární řetězce molekuly DNA od sebe postupně oddělí a ke každému z nich se nasyntetizuje nový komplementární řetězec, takže vzniknou dvě identické molekuly DNA. Vzhledem k tomu, že každá z obou dceřiných molekul DNA má jeden řetězec původní a jeden nově nasyntetizovaný, nazývá se způsob zdvojování molekul DNA semikonzervativní replikace. Vzhledem k tomu, že jiný způsob replikace není, je příslušný přívlastek vlastně zbytečný a používá se jen tehdy, chceme-li zdůraznit nebo sdělit, jak replikace DNA v principu probíhá.

Animace

Obrázek č. 13: Replikace (Animace)

Tvorba nových řetězců probíhá připojováním jednotlivých nukleotidů, které se za sebe řadí podle sekvence nukleotidů v původním řetězci na základě komplementarity bází (A – T, G – C). Původní řetězec tak vlastně slouží jako předloha (matrice) pro syntézu řetězce nového. Původní řetězec se v této souvislosti označuje jako matrice (matricový řetězec) nebo též templát (templátový řetězec).

Obr.11.10, Animace1, Animace2

10 MUTACE

Mutace jsou náhodné změny genetického materiálu. Rozlišujeme:

1. Bodové mutace (3 typy: záměna, delece, inzerce)
2. Strukturní aberace chromozomů (dříve: chromozomové aberace nebo chromozomové mutace)
3. Numerické aberace chromozomů (dříve: genomové mutace)

10.1 Bodové mutace

Bodové mutace jsou změny v jednom (nebo dvou, třech, …) nukleotidovém páru v dvoušroubovici DNA. Záměna je nahrazení nukleotidového páru jiným, delece je ztráta nukleotidového páru, inzerce je vložení nukleotidového páru. Pokud je bodovou mutací postižen gen, mění se jeho informační obsah. Mutace strukturního genu vede k syntéze více či méně pozměněného polypeptidu, a tedy i proteinu. To má pochopitelně vliv na jeho funkci: obvykle vzniká nefunkční protein, případně protein se sníženou funkcí, výjimečně se funkce proteinu nezmění. Delece a inzerce mají obvykle fatálnější dopad než záměny: je to proto, že při translaci se genetická informace „čte“ a překládá do sekvence aminokyselin po trojicích nukleotidů (po kodonech), takže ztráta či vložení nukleotidu znamená posun čtení – dojde k posunu čtecího rámce – a místo původních tripletů se čtou triplety zcela jiné. Vzniká tak polypeptid, který má – počínaje místem, jež odpovídá bodové mutaci – zcela jinou sekvenci aminokyselin, případně je navíc kratší v důsledku toho, že se v posunutém čtecím rámci dříve vyskytne terminační kodon. Tím se tvoří proteiny beze smyslu, bez biologické funkce. Obr.12.19

Bodovými mutacemi vznikají nové alely z alely původní. Označujeme je jako mutantní alely. Jako standardní („divokou“, angl. wild) alelu označujeme tu alelu uvažovaného genu, která se u daného druhu organismu vyskytuje běžně, standardně. (Je to ovšem poněkud relativní pojem: nynější standardní alela vznikla kdysi v evoluci mutací své tehdy standardní předchůdkyně.)

K bodovým mutacím dochází v důsledku chyb při replikaci DNA (Animace), z nichž některé mohou mít zcela náhodné příčiny, některé vznikají vlivem mutagenních faktorů (fyzikální, chemické) a některé jsou důsledkem jevu zvaného tautomerie bází (adeninu, tyminu, guaninu, cytozinu), plynoucího z chemických vlastností bází. Tento jev způsobuje, že se občas, s jistou velmi malou pravděpodobností, zmíněné báze „na chvilku“ poněkud pozmění, a pokud zrovna v tom okamžiku probíhá v daném místě replikace, dojde k chybnému „připárování“ (A – C, G – T; prohodí se role T a C, popř. role A a G). Znamená to, že DNA občas zmutuje, „i kdyby nechtěla“. DNA je tedy nejen nositelkou a uchovávatelkou genetické informace, ale i primárním zdrojem jejích změn – bodových mutací. Tím je i jedním ze zdrojů evoluce. Obr.12.19

10.2 Strukturní aberace chromozomů

Strukturní aberace chromozomů jsou změny ve struktuře chromozomů, a tedy i ve struktuře příslušných molekul DNA. (Chromozom je jen určitým způsobem poskládaná – sbalená – molekula DNA.) Vznikají mimo jiné během crossing-overu (tedy při meióze) při nepřesně umístěném překřížení chromatid.

Jde o ztráty určitých úseků (delece, deficience), duplikace některých úseků, inverze a translokace. Mohou mít různě závažné genetické důsledky – v závislosti na tom, zda je mutací zasažena „geneticky důležitá“ část chromozomu, a jsou velkým genetickým rizikem pro potomky, a to i v případě, kdy sám nositel strukturní aberace žádné postižení v důsledku své mutace nemá. Animace1, Animace2

Obrázek č. 14: Strukturní aberace chromozomů

10.3 Numerické aberace chromozomů

Numerické aberace chromozomů jsou změny počtu chromozomů. Buď se zmnoží celé sady chromozomů – pak hovoříme o tzv. polyploidii (místo 2n chromozomů může být 3n – triploidie, 4n – tetraploidie, 6n – hexaploidie, 8n – oktoploidie atp.), nebo jeden (dva, tři, …) chromozom přebývá (tj. je 2n+1 chromozomů) či chybí (2n–1) – to jde o tzv. aneuploidii. Přebývá-li jeden chromozom, znamená to, že od jednoho druhu chromozomů má nositel této mutace chromozomy tři místo dvou – jde o trizomii. Pokud naopak jeden chromozom chybí (tj. místo dvou je jen jeden), hovoříme o monozomii. Aneuploidie jsou většinou se životem neslučitelné, a pokud s ním slučitelné jsou, vedou k závažným postižením. Např. trizomie chromozomu 21 u člověka je příčinou tzv. Downova syndromu.

Obrázek č. 15: Numerické aberace chromozomů

Polyploidie jsou u živočichů téměř vždy neslučitelné se životem, u rostlin různým způsobem poněkud pozměňují jejich vlastnosti a mohou vést ke vzniku nových druhů.

Příčinami vzniku trizomií a monozomií jsou chyby při meióze, tzv. nondisjunkce: buď nedojde k rozestupu některého chromozomového páru v anafázi první meiózy, nebo nedojde k rozestupu chromatid některého chromozomu v anafázi druhé meiózy.

Nondisjunkce homologních chromozomů v meióze I

Nondisjunkce sesterských chromatid v meióze II

Obrázek č. 16: Příčina vzniku trizomií a monozomií

Nové poznatky ukazují, že ve většině případů (aspoň u člověka) je příčinou předčasné rozdělení chromatid některého chromozomu před anafází první meiózy a následný přesun (v anafázi I) jedné těchto chromatid spolu s druhým ještě dvouchromatidovým chromozomem příslušného páru do jedné z dceřiných buněk.

Předčasné rozdělení chromatid jednoho z homologních chromozomů v meióze I a rozestup těchto chromatid již v anafázi meiózy I. znázorňuje obr. 18.

Obrázek č. 17: Předčasný rozestup chromatid

11 RIBOZOMÁLNÍ  RNA – rRNA

Ribozomální RNA jsou stavebními a funkčními jednotkami ribozomů. Ribozomy jsou organelami syntézy proteinů – probíhá v nich proces translace, při němž se podle mRNA syntetizují polypeptidové řetězce.

Ribozomy jsou organelami všech typů buněk (buňky prokaryotické i eukaryotické) a jsou také obsaženy v semiautonomních organelách (mitochondrie a chloroplasty), neboť tyto organely si ponechaly malou část své genetické informace z dob, kdy ještě byly samostatnými prokaryotickými organismy (bakteriemi), a probíhá v nich proteosyntéza (a k tomu musí mít ribozomy).

Ribozomy jsou dvojího typu: prokaryotické a eukaryotické. V obou případech sestávají ze dvou podjednotek – z velké podjednotky a z malé podjednotky (tyto podjednotky se spojují v jeden funkční celek po připojení mRNA a první tRNA k malé podjednotce v rámci iniciace translace Animace). Eukaryotické ribozomy jsou poněkud větší než prokaryotické a liší se od nich v některých dalších parametrech.

11.1 Prokaryotický ribozom

Malá podjednotka obsahuje 21 ribozomových proteinů a molekulu rRNA označovanou 16S rRNA. (16S je 16 svedbergů – jde o hodnotu, která charakterizuje pohyb zmíněné molekuly rRNA za přesně definovaných podmínek při určitém druhu centrifugace.) Velká podjednotka obsahuje 31 ribozomových proteinů a dvě molekuly rRNA – 5S rRNA a 23S rRNA.

11.2 Eukaryotický ribozom

Malá podjednotka obsahuje 33 ribozomových proteinů a molekulu rRNA označovanou 18S rRNA. Velká podjednotka obsahuje 49 ribozomových proteinů a tři molekuly rRNA – 5S rRNA, 5,8S RNA a 28S rRNA. (Údaje se týkají savčích ribozomů.)

Všechny uvedené druhy rRNA jsou určeny příslušnými geny v DNA a vznikají transkripcí těchto genů. Ale není to tak jednoduché: Např. bakterie Escherichia coli ve své DNA obsahuje gen pro rRNA, který podléhá transkripci jako celek, ale následně se štěpí na čtyři části, z nichž po dalších úpravách vzniká 16S rRNA, 23S rRNA, 5S rRNA a jedna tRNA. U savců je gen pro rRNA, který také podléhá transkripci jako celek, následuje štěpení a úpravy vedoucí k 18S rRNA, 5,8S rRNA a 28S rRNA. Podobně je to i u jiných organismů.

Ribozomy jsou starobylé organely spadající svým vznikem do dávného období po vzniku života na Zemi a až na malé rozdíly jsou podobné u všech organismů. Primární struktura (sekvence nukleotidů) v rRNA se během evoluce změnila jen velmi málo, celé dlouhé sekvence jsou téměř shodné. Porovnáním shod a rozdílů v 16S rRNA a 18S rRNA (eukaryotická obdoba 16S rRNA) u různých velkých skupin organismů se v uplynulých třech desetiletích podařilo stanovit míru vzájemné příbuznosti těchto skupin.

Obrázky

Srovnáváním odpovídajících si úseků DNA, případně jejich transkripčních produktů (jako je 16S rRNA a 18S rRNA), je možné zjišťovat příbuznost bližších i vzdálenějších skupin organismů. DNA je tedy nejen nositelkou genetické informace, ale je i „kronikou“ vývoje života na Zemi („kronikou“ evoluce). Vědci v této „kronice“ už leccos přečetli, ale především se v ní teprve učí správně číst.

12 TRANSFEROVÉ RNA – tRNA

Transferové RNA zprostředkovávají při syntéze polypeptidového řetězce zařazení správné aminokyseliny podle kodonu v mRNA. Jsou to malé molekuly RNA (70 – 95 nukleotidů) charakteristického tvaru a uspořádání. Na jednom svém konci obsahují tripletovou nukleotidovou sekvenci zvanou antikodon, která je komplementární k sekvenci kodonu v mRNA. Během translace se tRNA prostřednictvím antikodonu páruje s příslušným kodonem. Na jiný konec tRNA se působením speciálního enzymu (Anim) připojuje odpovídající aminokyselina. tRNA spojená se „svou“ aminokyselinou se může připojovat na kodon v mRNA. Děje se to v tzv. aminoacylovém místě na ribozomu. Obr.12.7, Obr.12.11

Animace

tRNA vznikají transkripcí genů pro tRNA. Podobně jako u rRNA vzniká i v případě tRNA transkripcí genu pro tRNA molekula RNA obsahující několik tRNA. Následuje rozštěpení takové RNA na části a po dalších úpravách vznikají jednotlivé tRNA.

13 ZROD GENETIKY

Základy vědy o dědičnosti a proměnlivosti (později nazvané genetika) položil svou prací Johann Gregor Mendel (1822 – 1884). Na přelomu 50. a 60. let 19. století prováděl v Brně systematické pokusy s křížením vybraných odrůd hrachu a v roce 1865 zveřejnil své výsledky – základní zákonitosti dědičnosti.

Tabulka

Křížil např. fialově kvetoucí rostlinu hrachu s rostlinou bíle kvetoucí. Všichni potomci takového křížení kvetli fialově. V další generaci (generace „vnuků“, F2) se však znovu objevily bíle kvetoucí rostliny – představovaly ¼ potomstva. Ty pak v další generaci („pravnuci“, F3) vytvořily jen bíle kvetoucí potomky, zatímco fialově kvetoucí „vnuci“ měli buď jen fialově kvetoucí potomky (⅓  případů), nebo (zbylé ⅔ případů) měli jak fialově, tak bíle kvetoucí potomky, a to opět v poměru 3 : 1, jak to bylo v generaci „vnuků“, v F2.

Stejné výsledky dostal Mendel i při křížení jiných dvojic odrůd hrachu. Odvodil, že potomci od rodičů nedědí znaky, ale vlohy. Formuloval pravidlo, že při křížení čistých linií (při křížení dvou homozygotů) se získá fenotypově stejné potomstvo (zákon o uniformitě hybridů – tzv. první Mendelův zákon), zavedl pojem dominantní a recesivní a formuloval zákon segregace (tzv. druhý Mendelův zákon). Obr.10.3

Zákon segregace vyjadřuje, že kříženec (hybrid) předává do pohlavních buněk obě vlohy (alely), jež získal po svých rodičích dvou různých odrůd, se stejnou pravděpodobností (jak tu dominantní, tak tu recesivní, přestože se ta recesivní v jeho fenotypu vůbec neprojevila). Po objevu mitózy a meiózy se později ukázalo, že zákon segregace je důsledkem rozestupu chromozomových párů v anafázi první meiózy. Obr.10.5

Při jiných hybridizačních pokusech Mendel sledoval dvojici znaků (např. kulaté x svrasklé hrachy a žluté x zelené hrachy) a odvozoval způsob přenosu příslušných vloh na potomky. Z fenotypového štěpného poměru 9 : 3 : 3 : 1  v generaci F2 odvodil, že alely obou genů segregují nezávisle, a formuloval zákon nezávislé kombinace (tzv. třetí Mendelův zákon).  

Zákon nezávislé kombinace alel dvou genů vyjadřuje, že dvojnásobný hybrid při vzniku pohlavních buněk vytváří se stejnou pravděpodobností všechny kombinace alel prvního genu s alelami druhého genu, tedy čtyři stejně pravděpodobné kombinace (při běžném označení: AB, Ab, aB, ab, jestliže genotyp zmíněného dihybrida byl AaBb). To je právě důsledek nezávislé segregace alel obou genů.

Pozdější srovnání s průběhem meiózy ukázalo, že toto pravidlo je důsledkem nezávislého rozmístění chromozomových párů v metafázní destičce před anafází první meiózy a následného rozestupu těchto párů (v anafázi I). To zároveň vysvětluje, proč zákon nezávislé kombinace platí pouze pro geny umístěné na různých chromozomových párech.  

Animace

Vztah dominance a recesivity není – jak se ukázalo později – jediným možným vztahem mezi dvěma různými alelami téhož genu. Například při křížení červenokvětých odrůd s bělokvětými vznikají u některých druhů rostlin (např. u hledíku většího) potomci, kteří kvetou růžově – tedy výsledná forma znaku je jakýmsi „aritmetickým průměrem“ znaků obou rodičů. Tento jev se označuje jako intermediarita. Intenzita zbarvení květu totiž může záviset na množství enzymu potřebného k syntéze červeného barviva.

Jestliže alela pro červenou barvu květů určuje funkční formu příslušného enzymu a alela pro bílou barvu jeho nefunkční formu, má kříženec (heterozygot) pouze poloviční množství potřebného enzymu. V případě některých enzymů a příslušných biochemických reakcí se to může projevit tvorbou sníženého množství produktu – v uvedeném případě menším množstvím červeného barviva; toto množství pak nepostačuje na vytvoření plně červených květů.

Intermediarita by mohla připomínat překonanou představu tzv. směsné dědičnosti, která byla rozšířena v době před Mendelovými pokusy. Jde o představu, že potomci mají vlastnosti, které jsou zprůměrňováním vlastností jejich rodičů (vychází to pochopitelně z dřívějšího chápání dědičnosti jakožto dědičnosti znaků a ne dědičnosti vloh!). Na první pohled taková představa vypadá věrohodně – potomci se podobají oběma rodičům. Chyba je v tom, že při tomto pohledu hodnotíme vlastnosti jedince jako jeden celek a neposuzujeme jednotlivé dílčí znaky. Při sledování jednotlivých znaků však byla představa směsné dědičnosti v rozporu s pozorovanou skutečností, nehledě na to, že kdyby skutečně existovala směsná dědičnost, byli by příslušníci biologického druhu, který se rozmnožuje pohlavně, po několika generacích téměř stejní – zprůměrovaní – ve všech svých vlastnostech.

Mendel svými pokusy ukázal nejen to, že se dědí vlohy a ne znaky, ale i to, že se vlohy „uvnitř“ kříženců nemísí, neslévají, nezprůměrňují, že zůstávají „čisté“. Dokazuje to fenotypový štěpný poměr  3 : 1  v generaci F2, případně Mendelovy výsledky v generaci F3 prozrazující genotypový štěpný poměr 1 : 2 : 1  v generaci F2.

14 ZROD MOLEKULÁRNÍ GENETIKY A MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE

Badatelé první poloviny 20. století usilovně pátrali po materiálním nosiči dědičnosti (co jsou geny?). Pokusy prokázaly, že vlastnosti buňky i organismu určuje jádro a nikoliv cytoplazma. Tedy dědičný materiál musí být obsažen v jádře. V jádře byly prokázány proteiny a nukleové kyseliny. Nukleové kyseliny se zdály být příliš jednoduchými molekulami, než aby mohly být nositelkami dědičné informace o všech vlastnostech organismu, zatímco proteiny pro tento účel splňovaly představy vědců. Teprve důmyslné experimenty v letech 1944, 1946 a 1952 prokázaly, že nositelkou genetické informace je DNA.

Alely se spolu nemísí ani při intermediaritě. Kdybychom mezi sebou zkřížili růžově kvetoucí křížence hledíku většího, nedostaneme jen růžově kvetoucí potomstvo (jak by to předpokládala představa směsné dědičnosti), ale dostaneme potomky kvetoucí červeně, růžově i bíle, a to v poměru  1 : 2 : 1  (je to fenotypový štěpný poměr a současně i genotypový štěpný poměr; jde o generaci F2).

Alely, které se v klasické genetice jeví jako dominantní nebo recesivní, ale i ty, které vedou k intermediaritě, nám poslouží k vysvětlení, proč nejsou znaky potomků obecně průměrem příslušných znaků rodičů: V případě, že potomek zdědí dominantní alelu, bude v příslušném znaku shodný s rodičem, který je nositelem dominantní alely (mohou to být i oba rodiče) (A- x aa →  Aa, A- x A- →  Aa nebo AA). Zdědí-li potomek dvojici recesivních alel (od každého z rodičů jednu), nemusí být v příslušném znaku shodný s žádným svým rodičem – to v případě, že oba budou heterozygoti nesoucí i dominantní alelu (Aa x Aa  →  aa). V případě intermediarity, kdy přicházejí v úvahu tři různé fenotypy, může mít každý z členů „rodiny“ – matka, otec, potomek – jinou formu příslušného znaku (AA x aa  →  Aa).

Intenzivní výzkum se přesunul od proteinů k DNA, u níž v té době nebyla známa její struktura. 

Obr.11.1, Obr.11.2, Obr.11.3

V roce 1953 James Watson a Francis Crick popsali strukturu DNA. Tím umožnili další systematický výzkum DNA, překotný rozvoj molekulární genetiky (tj. genetiky na molekulární úrovni) a zejména rozvoj molekulární biologie. Tento mladý obor se během několika málo desetiletí stal sjednocujícím základem všech biologických disciplín, udělal z biologie exaktní vědu a vedl k nesčetným aplikacím nejen v biologii samé (včetně tak tradičních oborů, jako byly systematiky jednotlivých skupin organismů), ale např. v medicíně, ve farmacii, v ekonomice (geneticky modifikované organismy), v paleontologii a v kriminalistice. Molekulární biologie a její aplikace patří k nejvýznačnějším a nejdůležitějším oborům lidského bádání současné doby. Určitě není nadsázkou, že 21. století je století biologie.

Obr.11.6, Obr.11.7

15 ZÁVĚR

V předchozích kapitolách jsme se v krátkosti a stručně seznámili s tím „jak funguje genetická informace“. Od let, kdy Johann Gregor Mendel objevil první zákonitosti tohoto fungování, zákonitosti přenosu genů (alel) na potomky u pohlavně se rozmnožujících organismů, uplynulo 150 let. Během této doby, a zejména v posledních zhruba šedesáti letech, získali vědci obrovské množství poznatků: poznali především, co je materiální nositelkou genetické informace a to, jak funguje genetická informace na molekulární úrovni. Tím pronikli k pochopení samotné podstaty živé hmoty a nastínili i hypotézu, jak na Zemi mohl život vzniknout. Postupně pronikají do spletité sítě signálních drah, které zajišťují zapínáním a vypínáním transkripce genů správné fungování buněk a těl k naplnění jejich smyslu – k namnožení genetické informace do dalších generací.

Cesta za poznáním genetické informace a jejího fungování není zdaleka u konce. Vědu i laickou veřejnost jistě čekají další vědecká zjištění a doufejme, že budou užitečná. Snad nám lidem umožní i pochopit, jaká je naše lidská role na Zemi, a způsob, jak tuto roli rozumně naplňovat.

16 SLOVNÍČEK POJMŮ

adenin – dusíkatá báze odvozená od purinu; je součástí DNA i RNA

alela – konkrétní forma genu

aminoacylové místo – místo na ribozomu, kam se při translaci umísťuje tRNA přinášející další aminokyselinu (aminoacyl), když se prostřednictvím svého antikodonu připojuje k příslušnému kodonu na mRNA

aneuploidie – numerická aberace chromozomů spočívající v tom, že některý (nebo některé, ale ne všechny) chromozom je navíc nebo naopak chybí; např. trizomie (2n + 1), monozomie (2n – 1)

antikodon – trojice nukleotidů v molekule tRNA, která je komplementární k nějakému kodonu

autoreprodukce – rozmnožování

bodové mutace – mutace, které postihují jeden nebo několik málo nukleotidových párů v DNA; jde o substituce (záměny), delece a inzerce (substituce – záměna nukleotidového páru, delece – ztráta nukleotidového páru, inzerce – vložení nukleotidového páru)

crossing-over (překřížení) – překřížení a vzájemná výměna odpovídajících si úseků nesesterských chromatid homologních chromozomů během profáze meiózy I

cytologie – nauka o buňce

cytozin – dusíkatá báze odvozená od pyrimidinu; je součástí DNA i RNA

čtecí rámec – jedna ze tří možností způsobu čtení tripletů v nukleotidové sekvenci při translaci, a to ta, která je založena na pevně stanoveném počátku tohoto čtení (od iniciačního kodonu)

delece – druh bodové mutace spočívající ve ztrátě nukleotidového páru

genové inženýrství – obor zabývající se jednak vytvářením rekombinantních molekul DNA představujících pozměněné nebo nové geny anebo nové kombinace genů, jednak jejich zaváděním do genomu organismů s cílem pozměnit jejich vlastnosti

guanin – dusíkatá báze odvozená od purinu; je součástí DNA i RNA

heterogenní jaderná RNA, (hnRNA) – RNA, která vznikne přepisem strukturních eukaryotických genů, obsahuje exony i introny (též prekurzorová mediátorová RNA, pre-mRNA)

heterozygot – jedinec, který ve sledovaném genu nese dvojici různých alel

heterozygotní sestava alel – přítomnost dvou různých alel téhož genu v genotypu

histony – proteiny tvořící komplex s DNA v jádrech eukaryotních buněk – spolu s DNA představují chromatin

homozygot – jedinec, který ve sledovaném genu nese dvě stejné alely

homozygotní sestava alel – přítomnost dvou stejných alel téhož genu v genotypu

hybrid – kříženec

hybridizace – křížení

chromatin – hlavní materiál v jádrech eukaryotických buněk, tj. molekuly DNA spolu s proteiny zvanými histony

informační makromolekuly – makromolekuly nesoucí ve své struktuře genetickou informaci (DNA, RNA, proteiny)

iniciační kodon – kodon, od kterého začíná translace (kodon AUG)

intermediarita – jev, kdy kříženec – heterozygot – má ve sledovaném znaku jeho střední hodnotu ve srovnání s hodnotami tohoto znaku u svých rodičů – homozygotů

introny – nekódující úseky eukaryotických genů

inzerce – druh bodové mutace spočívající ve vložení nukleotidového páru

deoxyribóza – pětiuhlíkatý cukr (pentóza) obsažený v deoxyribonukleotidech, které jsou stavebními kameny DNA

DNA – deoxyribonukleová kyselina

DNA-viry – viry, u nichž je nositelkou genetické informace DNA

dominantní alela – alela, která v heterozygotní sestavě s jinou alelou téhož genu určuje výslednou podobu znaku (tj. má stejný fenotypový účinek v homozygotním i v heterozygotním stavu)

Downův syndrom – genetické postižení člověka způsobené trizomií 21. chromozomu

enzymová reakce – biochemická reakce katalyzovaná enzymem

enzymy – biokatalyzátory biochemických reakcí

evoluce – postupný vývoj organismů během dlouhých časových období

exony – kódující úseky eukaryotických genů

exprese genu – vyjádření genu – cesta od genu ke znaku

fenotyp – souhrn všech znaků jedince

fenotypový štěpný poměr – poměr vyjadřující zastoupení jednotlivých fenotypů v potomstvu rodičů při hybridizačním pokusu (tj. při křížení)

funkční alela – alela, která kóduje funkční formu enzymu

gen – jednotka genetické informace

genetický kód – pravidlo, podle kterého se jednotlivým tripletům (kodonům) přiřazují příslušné aminokyseliny

genetika – věda o dědičnosti a proměnlivosti

genom – souhrn všech molekul DNA daného organismu

genotyp – souhrn všech alel jedince

genotypový štěpný poměr – poměr vyjadřující zastoupení jednotlivých genotypů v potomstvu rodičů při hybridizačním pokusu (tj. při křížení)

kodon – trojice nukleotidů v mRNA, která kóduje nějakou aminokyselinu

komplementární řetězce – řetězce nukleových kyselin (DNA + DNA nebo DNA + RNA anebo RNA + RNA), které jsou navzájem doplňkové podle pravidel komplementarity dusíkatých bází (C – G, A – T, A – U )

komplexita živých soustav – složitost živých soustav

kvartérní struktura proteinu – prostorová struktura proteinu daná vzájemným spojením polypeptidů, kterými je protein tvořen

matrice (templát), matricový řetězec – řetězec nukleové kyseliny, podle kterého se syntetizuje komplementární řetězec

mediátorová RNA (mRNA) – molekula RNA, která zprostředkovává přenos genetické informace mezi strukturním genem a syntetizovaným polypeptidem; vzniká transkripcí (a případně ještě sestřihem) a slouží jako matrice při translaci (tj. při syntéze polypeptidového řetězce)

meióza – způsob dělení buněčného jádra, při němž dochází ke snížení počtu chromozomů (tj. molekul DNA) z diploidního počtu na haploidní (z 2n na n)

metabolismus – přeměna látek a energií

mitóza – způsob dělení buněčného jádra, který vede ke dvěma dceřiným jádrům se stejnou genetickou informací, jakou obsahovalo jádro mateřské buňky

molekulární biologie – věda, která zkoumá fungování živých systémů na úrovni informačních makromolekul – nukleových kyselin (DNA, RNA) a proteinů

molekulární biologie – věda, která zkoumá živé systémy na úrovni biologických makromolekul (především informačních – nukleových kyselin a proteinů): zkoumá vztah mezi strukturou, interakcemi a uspořádáním těchto molekul na jedné straně a jejich funkcemi v základních životních dějích na straně druhé

molekulární genetika – genetika na úrovni informačních makromolekul – DNA, RNA a proteinů

monozomie – numerická chromozomová aberace, kdy místo dvojice homologních chromozomů je přítomen jen jeden z nich (jeden chybí)

mutace – náhodné změny genetického materiálu

mutantní alela – alela, která vznikne z původní alely (ze standardní, divoké alely) mutací (zpravidla bodovou mutací)

nascentní řetězec – již nasyntetizovaná část řetězce polypeptidu v průběhu translace (obecněji: již nasyntetizovaná část řetězce – DNA, RNA, polypeptidu – v průběhu jeho syntézy, tj. v průběhu replikace, transkripce nebo translace)

nefunkční alela – alela, která kóduje nefunkční formu enzymu

nondisjunkce – chyby při rozestupu chromozomů nebo chromatid v meióze vedoucí k aneuploidiím; 1. nedojde k rozestupu homologních chromozomů v anafázi meiózy I, 2. nedojde k rozestupu chromatid některého chromozomu v anafázi meiózy II

nukleotidy – stavební kameny nukleových kyselin (dusíkatá báze + cukr pentóza + kyselina fosforečná)

numerické aberace chromozomů („genomové mutace“) – mutace spočívající ve změně počtu chromozomů (polyploidie, trizomie, monozomie aj.)

operon – skupina genů řízená jedním společným promotorem a jedním operátorem (bývá v DNA bakterií, není u eukaryot)

peptidylové místo – místo na ribozomu, kde je při translaci umístěna tRNA), která spojuje nascentní polypeptid (peptidyl) s mRNA

polypeptid – nevětvený řetězec mnoha desítek až několika stovek aminokyselin, stavební blok proteinů

polyploidie – přítomnost několika chromozomových sad v jádře místo obvyklých dvou (2n – diploidie): např. triploidie – 3n, tetraploidie – 4n, hexaploidie – 6n, oktoploidie – 8n atp.

prekurzorová mediátorová RNA (pre-mRNA) – RNA, která vznikne přepisem strukturních eukaryotických genů, obsahuje exony i introny (též heterogenní jaderná RNA, hnRNA)

primární struktura polypeptidu – sekvence aminokyselin, ze kterých je polypeptid sestaven

promotor – krátký úsek DNA před genem, na který se připojuje RNA-polymeráza (transkriptáza)

proteiny – bílkoviny – makromolekulární látky sestavené z aminokyselin podle informace obsažené v genech (ve strukturních genech)

přírodní výběr – základní proces evolučního vývoje, který zvýhodňuje při produkci potomků ty jedince, kteří jsou lépe uzpůsobeni danému prostředí (a tím v dalších generacích zvyšuje podíl alel (variant genetické informace), které takové uzpůsobení podmiňují)

purinové báze – dusíkaté báze odvozené od purinu: adenin, guanin

pyrimidinové báze – dusíkaté báze odvozené od pyrimidinu: cytozin, tymin, uracil

recesivní alela – alela, která se v heterozygotní sestavě s jinou alelou téhož genu nepodílí na podobě znaku určeného tím genem

rekombinantní DNA – DNA vzniklá spojením molekul DNA různého původu nebo jejich fragmentů in vitro (tedy umělou cestou)

replikace (replikace DNA) – zdvojování molekul DNA

retroviry – obalené RNA-viry se zpětnou transkriptázou, které po proniknutí do hostitelské buňky přepisují svou genetickou informaci (jednořetězcovou RNA) do dvouřetězcové DNA, jež se pak včleňuje do DNA hostitelské buňky

reverzní transkripce (zpětná transkripce) – přepis genetické informace z RNA do DNA

reverzní transkriptáza – enzym katalyzující reverzní transkripci

ribóza – pětiuhlíkatý cukr (pentóza) obsažený v ribonukleotidech, které jsou stavebními kameny RNA

ribozomální RNA (rRNA) – stavební a funkční součásti ribozomů (spolu s příslušnými proteiny)

ribozomy – organely, v nichž probíhá proteosyntéza (syntéza proteinů), konkrétně: v ribozomech probíhá translace

RNA – ribonukleová kyselina

RNA-polymeráza (transkriptáza) – enzym katalyzující transkripci

RNA-viry – viry, u nichž je nositelkou genetické informace RNA

sekundární struktura polypeptidu – α-helix (α-šroubovice) nebo β-struktura (skládaný list) v některých úsecích polypeptidu

semikonzervativní replikace – způsob replikace DNA: dvouřetězcová molekula se rozplétá a oba její řetězce slouží jako matrice pro syntézu komplementárních řetězců, takže v obou výsledných molekulách DNA zůstává zachován jeden řetězec z výchozí molekuly, zatímco druhý se syntetizuje nově

sestřih – proces odstranění (vystřižení) intronů z pre-mRNA

standardní alela – alela příslušného genu, která se u daného druhu organismu vyskytuje běžně, standardně

strukturní aberace chromozomů (chromozomové mutace, chromozomové aberace) – mutace spočívající ve změně struktury chromozomů, strukturní přestavby chromozomů (zlomy a chybná znovuspojení chromozomů)

strukturní geny – geny nesoucí informaci o primární struktuře polypeptidových řetězců (polypeptidů)

substituce (záměna) – druh bodové mutace spočívající v záměně nukleotidového páru

tautomerie bází – jev, kdy dusíkaté báze přechodně přecházejí na krátký okamžik do poněkud jiné podoby (iminoforma místo aminoformy, enolforma místo ketoformy) a dochází k nestandardnímu párování A – C, G – T (přirozený zdroj bodových mutací – záměn)

templát (matrice, matricový řetězec) – řetězec nukleové kyseliny, podle kterého se syntetizuje komplementární řetězec

terciární struktura polypeptidu – prostorové uspořádání polypeptidu

terminační kodony – kodony ukončující syntézu polypeptidového řetězce (kodony UAG, UGA, UAA)

transferové RNA (tRNA) – speciální typy RNA uplatňující se při translaci: dopravují příslušné aminokyseliny do místa syntézy polypeptidů v ribozomech

transkripce – přepis genetické informace z DNA (z genu) do RNA (např. do mRNA, rRNA, tRNA aj.)

transkripční faktory – molekuly, které svým připojením na DNA do blízkosti promotoru umožňují připojení RNA-polymerázy (transkriptázy) k promotoru

transkriptáza (RNA-polymeráza) – enzym katalyzující transkripci

translace – překlad genetické informace z mRNA do primární struktury polypeptidu

triplet – trojice nukleotidů v mRNA, která kóduje nějakou aminokyselinu

trizomie – numerická chromozomová aberace, kdy místo dvojice homologních chromozomů jsou přítomny tři (jeden je navíc)

tymin – dusíkatá báze odvozená od pyrimidinu; je součástí DNA

ústřední dogma molekulární biologie – postulát vyjadřující, že přenos genetické informace je možný z nukleové kyseliny do nukleové kyseliny (z DNA do RNA – transkripce, z RNA do DNA – zpětná transkripce) nebo z nukleové kyseliny do proteinu (translace), ale její přenos z proteinu do proteinu nebo z proteinu do nukleové kyseliny není možný

uracil – dusíkatá báze odvozená od pyrimidinu; je součástí RNA

viry – nebuněčné živé systémy, nitrobuněční paraziti

zákon nezávislé kombinace – dvojnásobný hybrid při vzniku pohlavních buněk vytváří se stejnou pravděpodobností všechny kombinace alel prvního genu s alelami druhého genu, tedy čtyři stejně pravděpodobné kombinace alel

zákon o uniformitě hybridů – při křížení čistých linií (při křížení dvou homozygotů) se získá fenotypově stejné potomstvo

zákon segregace – kříženec (hybrid) předává do pohlavních buněk obě alely, jež získal po svých rodičích dvou různých odrůd, se stejnou pravděpodobností

záměna (substituce) – druh bodové mutace spočívající v záměně nukleotidového páru

zpětná transkripce (reverzní transkripce) – přepis genetické informace z RNA do DNA

zpětná transkriptáza (reverzní transkriptáza) – enzym katalyzující zpětnou transkripci

živý systém – přírodní automat, který je vystavěn na základě informací (instrukcí) uložených v DNA a který funguje na základě informací (instrukcí) uložených v DNA

17 POUŽITÁ LITERATURA

Rosypal, S. a kol.: Terminologie molekulární biologie. Prof. RNDr. Stanislav Rosypal, DrSc., Brno 2001

Snustad, D. – Simmons, M.: Genetika. Masarykova univerzita, Nakladatelství, Brno 2009

ZDROJ OBRÁZKŮ:

Obr. 1: Syntéza proteinů

AUTOR: Eva Pláteníková

Obr. 2: Cukr (ribóza, deoxyribóza)

Obr. 3: Dusíkaté báze

Obr. 4: Struktura DNA

AUTOR: Eva Pláteníková

Obr. 5: Struktura RNA

AUTOR: Eva Pláteníková

Obr. 6: Struktura proteinu

AUTOR: Emw, wikipedia [online]. [cit. 3.3.2015]. Dostupný na WWW: http://goo.gl/iFQwio

Obr. 7: Exprese alel genu

AUTOR: Eva Pláteníková