1. Białka i kwasy nukleinowe jako genetyczny materiał, który uczestniczy w przekazywaniu informacji, mutacjach oraz biosyntezie białka.

W przechowywaniu genetycznej informacji posługują makrocząsteczki. One są dużymi chemicznymi cząsteczkami, które składają się z kilku rodzajów jednostek podstawowych, złączonych w łańcuchy o dużej długości. Wśród paru rodzajów makrocząsteczek w komórce obecne są jedynie 2, biorą one udział w przekazywaniu i przechowywaniu genetycznej informacji: białka kwasy i nukleinowe.

Cząsteczki nukleinowych kwasów zbudowane są z 4 nukleotydów różnego rodzaju, polipeptydowe łańcuchy białek z kolei - z 20 aminokwasów różnych rodzajów. Białka jak i kwasy nukleinowe w sobie niosą informację, która zawiera się w sekwencji aminokwasów czy nukleotydów w łańcuchu długim cząsteczki.

Za wyjątkiem nielicznej grupy wirusów posiadających RNA, genetycznym materiałem całego żywego świata jest deoksyrybonukleinowy kwas (DNA).

Dezoksyrybonukleinowy kwas (DNA)

Budowa DNA

DNA to makrocząsteczka składająca się z deoksyrybonukleotydów (nukleotydów w skrócie). Stanowi związek pięciowęglowego cukru (deoksyrybozy), kwasu fosforowego oraz jednego z 4 typów azotowych zasad G, C, T, A. W danej nici DNA poszczególne nukleotydy są połączone ze sobą kowalencyjnymi wiązaniami w taki sposób, iż cząsteczki cukru ułożone są z fosforanowymi resztami na zmianę, a azotowe zasady odchylone są od utworzonej tym sposobem długiej cząsteczki .

Końce tak zbudowanej nici składającej się z nukleotydów są nierównomierne. Jest to skutkiem tego, iż reszta fosforowego kwasu stanowi połączenie niejednakowych atomów węgla cukrowej cząsteczki. W polinukleotydowej nici wyróżnić można kierunek począwszy od atomu węgla należącego do pierścienia cukrowej cząsteczki do atomu węgla należącego do grupy CH2OH a także odwrotny kierunek.

Cząsteczka DNA tworzona jest przez dwie polinukleotydowe nici. Owinięte są one wokół siebie sprawiając, iż azotowe zasady znajdują się we wnętrzu, cukrowo-fosforanowy łańcuch zaś na zewnątrz. Taka struktura to heliks podwójny.

Nici heliksu skierowane są w kierunkach przeciwnych. Niemal cały DNA jest heliksem, które sposób skręcenia w prawo, iż płaszczyzny azotowych zasad równolegle leżą jedna ponad drugą. Na całkowity jeden skręt takiej struktury składa się 10 par nukleotydów.

Dwie polinukleotydowe nici, które tworzą DNA, utrzymywane są razem za przyczyną oddziaływań pomiędzy azotowymi zasadami zgodnie z zasadą komplementarności. Wynika ona z tego, iż wiązania wodorowe łączące je powstają jedynie pomiędzy cytozyną oraz guaniną i adeniną oraz tyminą.

Komplementarność zasad posiada znaczenie podstawowe dla kopiowania genetycznej informacji. Informacja, która zapisana jest w ciągu nukleotydów danej nici posiada informacje dotyczące kolejności ułożenia ich w nici drugiej. Wystarczające jest rozplecenie nici DNA oraz dobudowanie komplementarnych polinukleotydowych łańcuchów do nich, by uzyskać dwie kopie identyczne DNA.

Struktura eukariotycznego chromosomu

Struktury regularne tego chromosomu wytwarzane są poprzez złączenie DNA z zespołem histonów (5 białek). Jednostka podstawowa tych struktur to nukleosom - cząstka mająca kształt dysku. Część białkowa nukleosomu jest zbudowana z 8 cząsteczek białek histonowych. Wokół niej zwinięty jest odcinek DNA. Po zewnętrznej części obecna jest dodatkowa cząsteczka histonu, będąca inną niż ta, która tworzy część centralną nukleosomu .

W jądrze łańcuchy nukleosomów tworzą następne struktury, a to umożliwia upakowanie na terenie niewielkiej średnicy jądra cząsteczek DNA charakteryzujących się znaczną długością.

Replikacja DNA

Cząsteczka DNA w sobie posiada informację konieczną do kopiowania wiernego swoich sekwencji. Mechanizm replikacji oparty jest na rozpleceniu heliksu podwójnego oraz dobudowaniu nowej komplementarnej nici do każdej z rozplecionych nici.

Replikacja jest semikonserwatywnym procesem. Na każdej z nici DNA tworzy się druga potomna nić o identycznej strukturze. W cząsteczce DNA nowej jedna z nici pochodzi od DNA pierwotnego, druga z kolei jest nicią nowo utworzoną. Początek replikacji odbywa się w ściśle określonym miejscu chromosomu. Nić DNA zawiera specjalne miejsce - tzw. origin, które jest miejscem przyłączenia inicjatorowego białka. W prokariotyczej komórce występuje jedynie 1 miejsce tego rodzaju, w genomach dużych z kolei wiele jest ich. Do miejsca tego poprzez inicjatorowe białko przyłączają się także enzymy , które są niezbędne w przeprowadzeniu replikacji, a całość tworzy replikacyjny kompleks.

Pierwszy enzym to helikaza, rozszczepiająca wodorowe mostki pomiędzy azotowymi zasadami, tym samym tworzone są replikacyjne widełki.

Kolejny enzym to najważniejsza z enzymów polimeraza DNA, mająca zdolność dołączania następnych nukleotydów. Są one dołączane jedynie do końca 3'. Enzym ten nie może zapoczątkować procesu syntezy DNA. Służy do tego polimeraza RNA (tzw. primaza), syntetyzująca odcinki krótkie RNA - tzw. primery (startery), do których polimeraza DNA może dobudować nić DNA. Kolejnym etapem jest wycięcie primerów z nici, w czym uczestniczy enzym zwany polimerazą DNA mający aktywności endonukleazy. W rezultacie pozostają niedługie fragmenty nici DNA (nazywane fragmentami Okazaki), łączące się ze sobą przy pomocy ligazy DNA. Enzym ten tworzy także wodorowe wiązania, ze sobą łączy azotowe zasady kończąc tym samym replikację nici DNA .

Ilość błędów, które popełniane są przez replikacyjny aparat jest bardzo niewielka. Jeden na miliard nukleotydów wstawiony jest nieprawidłowo. Taki wysoki stopień wierności replikacji DNA jest wynikiem istnienia szczególnych korekcyjnych mechanizmów, usuwających natychmiast wstawione nieprawidłowo nukleotydy. U bakterii taka korektę przeprowadzana jest przez polimerazę DNA, potrafiącą rozpoznać oraz wycinać wstawione błędnie nukleotydy.

Rybonukleinowe kwasy (RNA)

Informacja dotycząca budowy organizmu jest zapisana w DNA, organizm jednak to białka przede wszystkim. Można powiedzieć w uproszczeniu, iż dla genetycznej informacji droga pomiędzy genotypem a fenotypem jest drogą pomiędzy DNA a białkiem. W czasie tej drogi dwukrotnie DNA jest przekształcany: pierwszy raz w trakcie transkrypcji - przepisywaniu informacji z DNA na RNA oraz drugi raz w trakcie translacji, kiedy informacja z sekwencji nukleotydów nukleinowego kwasu tłumaczona jest na sekwencję aminokwasów określonej cząsteczki białka.

DNA → RNA → białko

Budowa RNA

W przekazywaniu genetycznej informacji z DNA na białka udział biorą rybonukleinowe kwasy.

Chemiczna budowa RNA i DNA jest podobna. Kwas RNA posiada w odróżnieniu od DNA cukier, który jest rybozą. Także azotowe zasady wykazują niewielką różnicę - zamiast tyminy obecny jest uracyl. On tworzy parę komplementarną w DNA podobnie jak tymina.

RNA nie pojawia się w formie podwójnego dwuniciowego heliksu, jednak zachodzić może parowanie zasad pomiędzy odcinkami komplementarnymi jednej nici RNA .

Jeśli odcinki komplementarne rozdzielone są komplementarnymi sekwencjami, stworzony w ramach nici pojedynczej podwójny heliks zakończony jest pętlą niesparowaną. Dlatego też RNA ma różne kształty.

Można wyróżnić w komórce trzy różne rodzaje rybonukleinowych kwasów. Pierwszy z nich to RNA matrycowy - mRNA. Jego zadaniem jest przekazywanie informacji z DNA na białko bezpośrednio. Kolejny rodzaj to RNA, który dopasowuje nukleinowe kwasy do sekwencji nukleotydów - tRNA czyli transportujący RNA. Ostatnim jest RNA, który tworzy rybosomy łącznie z zespołem białek - RNA rybosomowy - rRNA.

Transkrypcja

Podstawą transkrypcji jest zasada parowania się azotowych zasad. Wówczas sekwencja nukleotydów nici RNA syntetyzowanej jest określona jednoznacznie poprzez sekwencje nukleotydów nici DNA, która służy jako matryca.

Nić DNA posiada miejsce nazywane promotorem, który jest miejscem przyłączenia enzymu - polimeraza RNA, syntetyzującej nić RNA. Enzym ten po przyłączeniu się do miejsca promotora nabudowuje nić RNA.

Nić DNA posiada dwa typy odcinków nici: introny (niekodujące odcinki) oraz egzony (kodujące odcinki). W pierwszej fazie są transkrybowane introny i egzony. Tworzona jest nić nazywana pre-mRNA. Kolejnym etapem jest wycinanie intronów z powstałej cząsteczki RNA oraz łączenie się jedynie egzonów. Jest to proces genowego składania.

Powstaje mRNA, zabezpieczony tym, iż na końcu 3' dołączony jest odcinek nazywany poli-A (w skład wchodzi kilkanaście adenin), do końca 5' z kolei przyłączona jest czapeczka (tzw. cap) - guanina. Stanowi to ochronę powstałej cząsteczki przeciwko rozłożeniu jej przez enzymy w cytoplazmie.

Aminokwasy - są elementami cząsteczki białka.

Chemiczne różnice pomiędzy nukleotydami nie są wielkie. W zdecydowanie większym stopniu różnią się pomiędzy sobą aminokwasy - elementy polipeptydowych łańcuchów. Aminokwasy zbudowane są na postawie identycznego planu, według którego atom węgla otoczony jest poprzez 4 rodzaje podstawników: NH2,COOH, atom wodoru oraz zasadowy lub kwaśny łańcuch boczny, wykazujący lub nie powinowactwo do cząsteczek wody. Ich rola w tworzeniu przestrzennej struktury białka jest decydująca. Aminokwasy są połączone ze sobą polipeptydowymi wiązaniami.

Kod genetyczny

Jest sposobem, na podstawie którego przetłumaczyć można genetyczną informację z języka nukleotydów na język aminokwasów.

Genetyczny kod jest trójkowym kodem. Trójka nukleotydów, która wyznacza aminokwas, nazwana jest kodonem. Wyznaczenie licznych aminokwasów możliwe jest przy pomocy paru różnych nukleotydowych trójek w cząsteczce mRNA. Genetyczny kod jest uniwersalny nie tylko dla ludzi, ale dla każdego organizmu żyjącego na kuli ziemskiej.

Każdy z kodonów wyznacza jakiś aminokwas. Istnieją jednak 3 kodony, cenie oznaczają żadnego z aminokwasów. Są nimi nonsensowne kodony: UAA UAG UGA, które wyznaczają koniec procesu tworzenia białka.

Translacja

Zachodzi w siateczce wewnątrzplazmatycznej szorstkiej. Jest to przepisywanie genetycznego kodu na aminokwasową sekwencję w białku. Miejscem translacji są rybosomy. Rolę kluczową w tymże procesie odgrywa tRNA. Może on rozpoznać trójkę zasad z jednej strony, zaś z drugiej aminokwas jej odpowiadający.

Rozpoznanie właściwej trójki w cząsteczce mRNA odbywa się dzięki zasadzie komplementarności. W cząsteczce tRNA występuje trójka nukleotydów, która tworzy pary z pojedynczym kodonem cząsteczki mRNA. Taka trójka nazywana jest antykodonem.

Podobna budowa wszystkich cząsteczek tRNA umożliwia łączenie się z miejscami odpowiednimi w rybosomie. tRNA jest rozpoznawane swoiście poprzez enzymy, które rozpoznają swoiście także poszczególne aminokwasy. Łączące aminokwasy i tRNA enzymy dopasowane są do każdej z cząsteczek. Wynkiem aktywności tych enzymów jest złączenie tRNA oraz aminokwasu kowalencyjnym wiązaniem tworząc związek zwany aminoacylo-tRNA.

W trakcie syntezy polipeptydowego łańcucha cząsteczka mRNA umieszczana jest pomiędzy podjednostkami rybosomu. Mogące zmieścić tRNA dwa miejsca zlokalizowane są w strukturze rybosomu tak, że mogą przyjąć jedynie cząsteczki, dla których antykodony komplementarne są do kodonów określonego odcinka mRNA, który znajduje się aktualnie na rybosomie. Tym sposobem możliwe jest przypisanie aminokwasu połączonego z tRNA odpowiedniej nukleotydowej trójce na matrycy mRNA.

W miejscu wiązania tRNA (tzw. miejsce P) obecna jest cząsteczka tRNA wraz z do niej dołączonym fragmentem polipeptydowego łańcucha. Z tym miejscem łączy się aminoacylo-tRNA, którego typ określony jest poprzez trójkę zasad w mRNA, która pod nim się znajduje. Następnie dochodzi do przeniesienie odcinka polipeptydowego łańcucha na aminoacylo-tRNA z tRNA zlokalizowanym w miejscu P. Tym sposobem fragment łańcucha ulega wydłużeniu o pojedynczy aminokwas. tRNA wolny ulega odłączeniu od P miejsca. Cykl zamykany jest przez przesunięcie tRNA wraz z fragmentem dołączonym polipeptydowego łańcucha z miejsca A do miejsca P. Temu towarzyszy przemieszczenie mRNA w taki sposób, iż naprzeciw miejsca A wolnego pojawia się następna trójka nukleotydów. Całość procesu może być rozpoczęta od nowa, kończy go wystąpienie w A miejscu trójki nonsensownego kodonu.

Geny

Gen jest jednostką genetycznej informacji. Pojęcie genu w ciągu lat ulegało przemianom. Grzegorz Mendel napisał: "związki cech materiału genetycznego odpowiedzialne za pojawienie się obserwowanych cech". Badań oka owocowej muszki pozwoliły stwierdzić, iż efektem molekularnym działania genów badanych są enzymy, które katalizują syntezę barwnika brązowego oka owocowej muszki. Zdefiniowano wówczas gen jako "taką jednostkę materiału genetycznego, która jest odpowiedzialna za syntezę jednego enzymu". Niedługo po tym przekonano się, iż nie każdy produkt genów jest enzymem. Ingram przeprowadzał badania dotyczące różnicy pomiędzy nieprawidłową i prawidłową hemoglobiną w sierpowatej anemii i stwierdził, iż ona ogranicza się jedynie do zamiany pojedynczego aminokwasu w jedynie pojedynczym polipeptydowym łańcuchu. Badania te doprowadziły do sformułowania definicji nowej genu: "genem nazywamy taką jednostkę materiału genetycznego, która odpowiada za syntezę jednego łańcucha polipeptydowego". Ta definicja jest niemal uniwersalna, tylko nie dotyczy przypadków, gdy końcowy produkt genu to RNA, który nie ulega translacji.

Wyróżnia się podzielone geny (zawierają introny oraz egzony) i nakładające się geny.

Ostatnie z wymienionych ulegają zjawisku polegającym na nakładaniu się genów - wykorzystania identycznej sekwencji nukleotydów w kodowaniu zróżnicowanych polipeptydowych łańcuchów.

Regulacja procesu ekspresji genu

2. Regulacja transkrypcji poprzez oddziaływania DNA - białko

Ten rodzaj regulacji zachodzi dzięki prostym dwóm mechanizmom:

  • Regulacja negatywna - poprzez dołączenie cząsteczki regulatorowego białka w pobliżu promotora w sposób umożliwiający dołączenie polimerazy RNA a także rozpoczęcie transkrypcji.
  • Regulacja pozytywna - ten rodzaj wymaga obecności regulatorowego białka mającej na celu rozpoznanie promotora poprzez polimerazę RNA .

3. Regulacja u bakterii ekspresji genu - laktozowy operon

Laktozowy operon jest zespołem genów, które odpowiadają za metabolizm związku jaki jest laktoza. Są nimi 2 geny, które rozkładają dany cukier: acetylotransferaza, permeaza oraz betagalaktozydoza.

Laktoza rozkładana jest do monocukrów jedynie wówczas kiedy ona obecna jest w środowisku życia bakterii. Aby polimeraza RNA mogła przyłączyć się do rejonu promotora i zainicjowana została synteza białka jest potrzebny represor, łączą się z cząsteczkami laktozy. Gdy z nią nie jest połączony, to ulega połączeniu z operatorem jednocześnie powodując, iż zablokowana jest możliwość przyłączenia się polimerazy RNA do operonu. Zatem nie dochodzi do transkrypcji a także translacji.

Jeśli w środowisku obecna jest laktoza, to ulega połączeniu z represorem. Ten czynnik zostaje unieczynniony, nie ulega przyłączeniu do operatora, dlatego też polimeraza RNA prowadzić może transkrypcję genów, rozkładających laktozę enzymów.

Ten mechanizm jest sterowany przez aktywator - czyli połączenie CRP z adenozynomonofosforanem cyklicznym, czyli cAMP. Proces rozkład ATP do AMP związany jest z oddawaniem energii oraz rozerwaniem fosforowych reszt. Ta przemiana zlokalizowana jest w komórkowej błonie, a odpowiedzialnym za ten proces enzymem jest adenylowa cyklaza. Inhibitorem adenylowej cyklazy jest glukoza. Sprawia, iż kiedy w środowisku obecna jest laktoza ani transkrypcja ani translacja nie nastąpi. Nazywe jest to kataboliczną represją.

Kompleks aktywatora potrzebny jest również, by polimeraza RNA mogła przeprowadzić transkrypcję - doprowadza do jej aktywacji.

Mutacje

Naprawa uszkodzeń cząsteczek DNA

Podstawą omówienia będzie oddziaływanie jakie wywierają promienie UV na wirusy i bakterie. To promieniowanie powoduje powstanie tzw. dimerów pirymidynowych - połączeń nienaturalnych pomiędzy dwoma tyminami (tyminowe mostki). Organizmy bakterii i wirusów mogą się bronić przed skutkami działania promieniowania. One wytwarzają fotoreaktywujący enzym, który przecina tyminowe mostki. Działa on jedynie w dziennym świetle, mimo to te organizmy stworzyły sposób naprawy w ciemności także. Procesy te jeszcze nie prowadzą do mutacji. Do niej doprowadza rekombinacyjna reperacja.

Mutacja jest utrwalona zmianą zapisu genetycznej informacji. Można wyróżnić wiele typów mutacji:

1. Punktowe (genowe) mutacje - one dotyczą jedynie fragmentu genu, wśród nich wyróżnia się:

  1. tranzycja - polega na zamianie puryny na inną purynę albo pirymidyny na inną pirymidynę
  2. transwersja - to przejście pirymidyny w purynę i odwrotnie
  3. mutacje zmiany sensu - założenie: pojedynczy tryplet warunkuje pojedynczy aminokwas. Jeśli w trójce nukleotydów wystąpi zmiana zasady pojedynczej na inną, może dojść to tego, iż białko będzie identyczne, lecz w genetycznym kodzie mogą nastąpić pewne zmiany.
  4. nonsensowe - doprowadzają do wytworzenia terminacyjnego kodonu podczas syntezy białka, co skutkuje zakończeniem procesu;
  5. zmiany fazy odczytu - do nich należą:
    • delecja - polega na utracie jednej albo kilku par nukleotydowych zasad

np. pierwotny układ: AGTCGTCG

zmiana: AGGTCG

    • Insercja - polega na wbudowaniu w jakimkolwiek miejscu genu pojedynczej albo kilku par zasad: AGTC|AACAT|GTCG
    • Inwersja - dochodzi do niej gdy na określonym odcinku kolejność par zasad zostać może odwrócona: AGT|TGC|CG
    • Duplikacja - polega na podwojeniu niedługiego odcinka DNA: AGT|AGT|CGTCG

Choroby wywołane poprzez punktowe mutacje:

    • Galaktozemia: to upośledzenie metabolicznego szlaku rozkładu glukozy. Występują następujące objawy: niski wzrost, niedorozwój umysłowy i fizyczny.
    • Fenyloketonuria: upośledzenie metabolicznego szlaku rozkładu fenyloalaniny. Objawia się zaburzeniami w umysłowym i fizycznym rozwoju oraz ruchowymi zaburzeniami. Jest to recesywna mutacja.
    • Albinizm: upośledzenie metabolicznego szlaku rozkładu tyrozyny. Związana z brakiem wytwarzania barwnika; występują: biała skóra i włosy, czerwona tęczówka.
    • Alkaptonuria: upośledzenie metabolicznego szlaku rozkładu homogentyzynowego kwasu. Mocz o zabarwieniu brązowym po kontakcie z atmosferycznym tlenem, gdyż homogentyzynowy kwas nie ulega rozkładowi, krąży w moczu i we krwi.

2. Chromosomowe mutacje - dotyczą obszarów genetycznego materiału o większych rozmiarach.

Skutkują powstaniem tzw. aneuploidów - organizmy mające w genomie nieprawidłową liczbę chromosomów, np.

2n - 1 - monosomy

2n + 1 - trisomy

2n + 2 - tetrasomy

Do zjawisk tych doprowadza nondysjunkcja - występuje w trakcie mejozy. Do potomnej komórki (jednej z obecnych dwóch) dostają się dwa chromosomy (mejoza I), lub dwie chromatydy (mejoza II). Skutkuje to tym, iż w danej gamecie jest zbyt dużo albo zbyt mało chromosomów.

Jedną z typowych najbardziej chromosomowych mutacji jest delecja (czyli utrata części chromosomu), translokacja (czyli przeniesienie części z danego chromosomu na inny) oraz inwersja (polega na odwróceniu o 180 stopni fragmentu chromosomu).

Choroby wywołane chromosomowymi mutacjami:

    • Zespół Downa - jest trisomią 21 chromosomu albo translokacja pomiędzy chromosomem 15 a 21 albo 21 a 22. Objawia się psychicznymi i fizycznymi zaburzeniami, mongolskim fałdem, hypotomią, niskim wzrostem, małpimi dłońmi i stopami, wysuniętym językiem, rozstawionymi szeroko powiekowymi szparami.
    • Zespół Klinefeltera - 47 XXY albo 2n = 47XXY. Skutkuje bezpłodnością, niedorozwojem jąder mężczyzny, u mężczyzny pojawiają się cechy kobiece.
    • Zespół Turnera - 2n = 45X (2n - 1). Chore to bezpłodne, umysłowo upośledzone kobiety, wykazujące niedorozwój jajników, posiadające cechy mężczyzny.
    • Chromosom filadelfijski - to utrata w chromosomie 21 jednego z ramion. Zmiana ta skutkuje wystąpieniem przewlekłej białaczki.

3. Genomowe mutacje to m.in. poliploidie, czyli zwielokrotnienie chromosomalnego garnituru, np. 4n, 5n,...:

a. alloploidy - zawierają zestaw chromosomów, które pochodzą z różnych dwóch organizmów

b. autoploidy - wyposażone w zestaw chromosomów, które pochodzą z organizmu jednego.

U wyższych zwierząt poliploidia stanowi śmiertelną zmianę, u roślin natomiast jest pożądana, ponieważ taka roślina później wydaje większe plony (wiąże się to jednak z tym, iż jest bezpłodna).

4. Letalne mutacje - to punktowe mutacje, dotyczące białek, które są niezbędne organizmowi do życia:

XXl x XY

XX XY XlY XlX

Umrze

Stosunek płci: zamiast 2:2 jest 2:1.

Mutagenne czynniki:

  1. jonizujące promieniowanie, np. UV
  2. analogi azotowych zasad, np. aminopuryna lub bromouracyl
  3. azotowy kwas
  4. akrydynowe barwniki:
    • węglowodory policykliczne
    • bojowe gazy, np. iperyt
    • benzopiren - tytoniowy dym
    • alkaloid kolchicyna - jest stosowany u roślin do poliploizacji.

Elementy genetycznej inżynierii

Technikę genetycznej inżynierii określić można najprościej jako wprowadzenie obcego genu do komórki tak, by ten gen zachowywał się tak jak naturalne geny komórki, czyli by ulegał replikacji i ekspresji w części przypadków.

Włączanie do wektorów obcych genów i ich wprowadzanie do komórki organizmu gospodarza - klonowanie.

Cząsteczki DNA eukariotycznych organizmów są za duże by przeprowadzić można było z nimi genetyczne manipulacje jakiegokolwiek rodzaju, dlatego też geny obce wprowadzane są do bakteryjnych komórek, w których obecne są plazmidy. We własnych komórkach bakterie niosą w plazmidach najczęściej geny antybiotykowej odporności.

Nie można wczepić obcego fragmentu DNA w miejscu dowolnym do DNA wektorowego. Z tego względu powodzenie we włączaniu do wektorów obcych genów jest uzależnione od możliwości wprowadzenia genu w miejsce wektora ściśle określone. Jest to umożliwione dzięki restrykcyjnym enzymom. Mają one możliwość przecinania cząsteczki DNA - określonych ściśle sekwencji nukleotydów. Gdy enzymy te odnajdą taką sekwencję dokonują wycięcia jej. Restryktazy są wykorzystywane także przy wycinaniu cząsteczki wektora oraz włączaniu fragmentu obcego DNA w to właśnie miejsce.

Liczne restryktazy dokonują cięcia, które przechodzi w odległości jednakowej od osi symetrii na każdym z łańcuchów. Każdy przecięty koniec cząsteczki posiada jednoniciowy koniec, o identycznej sekwencji nukleotydów. Końce te są względem siebie komplementarne. Zakończenia tego rodzaju są nazywane "lepkimi końcami". Możliwe jest ich wzajemne odnalezienie się i połączenie dzięki temu, iż są komplementarne. Ligaza po połączeniu odtwarza przerwane kowalencyjne wiązania.

Kiedy właściwy gen jest już wprowadzony do plazmidu, plazmid wprowadzony zostaje do komórki organizmu gospodarza. Tym sposobem produkować można antybiotyki.

Genetyka Mendlowska

Pod tym terminem rozumie się reguły podstawowe dziedziczenia cech. Zostały one odkryte przez uczonego - Grzegorza Mendla. U podstaw tychże reguł jest proces tworzenia się gamet na drodze mejozy.

Powstawanie gamet.

Komórka diploidalna eukariotycznego organizmu posiada pary homologicznych chromosomów o identycznej długości i kształcie. Każdy chromosom po procesie replikacji DNA zbudowany jest z dwóch siostrzanych chromatyd. W trakcie I mejozy ulegają rozdzieleniu całe chromosomy, podczas mejozy II - całe chromatydy. Efektem jest powstanie 4 haploidalnych komórek. Są nimi gamety, które zawsze są haploidalne, a po połączeniu w zygotę dają wyjściowy stan diploidalny.

Pojęcia podstawowe z genetyki:

    • allele - geny, które odpowiadają za formy alternatywne danej cechy.
    • homozygota - komórka, która posiada allele takie same.
    • heterozygota - komórka, która posiada różne allele.
    • dominacja - dominujące allele występują w heterozygotycznych organizmach, dają cechę identyczną jak w homozygotycznych organizmach.
    • recesywne allele - ujawniają się jedynie u recesywnej homozygoty.
    • dominacja niepełna - ujawni się u heterozygoty pośrednia cecha między dwiema homozygotami.
    • kodominacja - wystąpią w heterozygocie równocześnie cechy każdej z homozygot.

Prawa Mendla

Mendel jest twórcą podstawowych i kluczowych dwóch praw genetyki, które dotyczą dziedziczenia cech:

I PRAWO MENDLA - każdy diploidalny organizm ma 2 allele, które determinują daną cechę, a w trakcie płciowego rozmnażania każdy rodzic przekazuje potomkowi jedynie jeden z tychże alleli.

Mendel to prawo udowodnił przez krzyżowanie grochu mającego różne barwy kwiatów:

A - kwiat czerwony

a - kwiat biały

AA x aa

pokolenie F1: Aa

A A a a

pokolenie F2: Aa x Aa

AA aa Aa Aa

Cechy te są dziedziczone w stosunku 1:3 czyli 1 biały kwiat oraz 3 czerwone

II PRAWO MENDLA -  Allele, które należą do różnych dwóch genów są dziedziczone niezależnie. Jest to inaczej prawo segregacji niezależnej dwóch cech.

Prawo to udowodnione zostało w krzyżowaniu żółtych nasion o powierzchni gładkiej oraz zielonych o szorstkiej powierzchni:

A - gładkie

a - szorstkie

B -żółte

b - zielone

AABB x aabb

pokolenie F1: AaBb

AaBb x AaBb

Pokolenie F2:

ab Ab aB AB

ab aabb aAbb aabB aAbB

Ab Aabb Aabb AabB AAbB

aB aaBb aABb aaBB aABB

AB AaBb AABb AaBB AABB

W tej krzyżówce stosunek wynosi 9:3:3:1

9 gładkich żółtych

3 pomarszczone żółte

3 gładkie zielone

1 pomarszczony zielony

Podsumowanie

Genetyka to nie tylko teoretyczna nauka, posiada także wiele praktycznych aspektów i stanowi podstawę dla hodowli zwierząt, roślin, a przede wszystkim dla mikroorganizmów. Przy praktycznym wykorzystaniu metod genetycznej inżynierii, będzie ona mieć wpływ istotny na wytwarzanie nowych technologii dla produkcji licznych leków, i być może nawet żywności. Po tym jak wyeliminowano zakaźne choroby leczenie wrodzonych wad ma znaczenie coraz większe w medycynie a także wykrywanie podstaw molekularnych schorzeń obecnie postępuje niezwykle szybko.