6. Öröklődés, változékonyság, evolúció

Genetika: az öröklődés és a változékonyság szabályszerűségeivel foglalkozó tudomány Öröklődés: szaporodáskor a szülői örökítőanyag átkerül az utódba az utód a szülőhöz hasonló tulajdonságú lesz nem a tulajdonságok öröklődnek, hanem a tulaj- donságokat meghatározó gének! Változékonyság: az örökítőanyag néha változik módosul az utód tulajdonsága a szülőhöz képest

6.1. Molekuláris genetika Az öröklődés és a változékonyság molekuláris alapjait vizsgáló tudományterület

6.1.1. Alapfogalmak Gén: az örökítő anyag (DNS) működési egysége egy fehérjét (egy tulajdonságot) meghatározó DNS-szakasz a DNS molekulának egy láncszakasza, amelynek szervesbázis sorrendje egy fehérje- lánc aminosavsorrendjére vonatkozó információt hordozza az embernek kb. 20-25 000 génje van (sejtenként)

Allél: = génváltozat - Egy-egy gén alléljainak a száma általában 1- 20 pl. az ABO vércsoportrendszert meghatározó génnek 3 féle génváltozata alakult ki az egyik allél A fehérjét a másik allél B fehérjét a harmadik allél nem határoz meg fehérjét

Genetikai kód (rendszer): szervesbázis hármasok összessége bázishármasok fajtái: kód, kodon, antikodon a genetikai kódrendszer jellemzői: - univerzális Jelentősége: egy GMO baktériumsejt emberi fehérje előállítá- sára is képes pl. inzulin előállításra - degenerált - vesszőmentes (kihagyásmentes) - átfedésmentes

kromo= színes, szóma= test (jól festődő test) kromoszóma kromo= színes, szóma= test (jól festődő test) az eukarióta sejtre jellemző képződmény a sejtosztódás kezdetén jelenik meg a sejtmagban az interfázisban (a sejtosztódást megelőző főszakaszban) még laza szerkezetű kromatidák (= kromatinfonalak) tömör, kromoszómaszerkezetet vesznek fel kromatida: DNS molekula a hozzá kapcsolódó fehérje molekulákkal (hiszton és nem hiszton fehérjékkel) a kromatidák a kromatinállományt képezik a sejtmag- ban

Homológ kromoszóma: - egy adott kromoszómapár kromoszómája, a párjával azonos alakú, méretű és géntartalmú (de az alléltartalmuk eltérő)

rekombináció: keveredés és újrarendeződés diploid szervezetekben: az apai és az anyai eredetű genetikai információtartalmak (gének) keveredése és újrarendeződése az utódsejtekben a meiózisos sejtosztódás során (az ivarsejtekben vagy a növényi spórasejtekben) a rekombinációt biztosító folyamatok a meiózis során: a meiózis I. főszakasz: előszakaszában a kromoszóma párok kromatidái átkereszteződnek és a kromatidaszakaszok kicserélődnek (apai illetve az anyai eredetű allék kicserélődése)

a kromoszómapárok apai és anyai kromoszómáinak meiózis I. főszakasz középszakaszában a kromoszómapárok apai és anyai kromoszómáinak véletlenszerű elrendeződése a sejt középsíkjában az utószakaszban szétválásuk és elkülönülésük a két sejtvégen meiózis II. főszakasz középszakaszában a két kromatidás kromoszómák véletlenszerű elrendeződése a sejt középső síkjában, az utószakaszban a kromatidák szétválása és elkülönü- lése a két sejtvégen

Genetika centrális dogmája (F. Crick): az élő rendszerekben a genetikai információ egy irányban áramlik: DNS RNS fehérje tulajdonság A DNS láncszakasz bázissorrendje, az RNS molekulák közvetítésével, meghatározza a fehérjelánc aminosav sorrendjét ez pedig a fehérje térbeli szerkezetét, a térbeli szerkezet a fehérje működését, a fehérje működése a tulajdonságot

A nukleinsavak képződése és a fehérjeszintézis: DNS megkettőződés: 1 minta DNS alapján 2 másolat DNS képződik (= szemikonzervatív replikáció) a DNS szétcsavarodik, kialakul a replikációs villa, az előzőleg aktivált nukleotidok beépülnek a képződő új láncokba a javítóenzim megszűnteti az új láncok hibáit az utód DNS- ek felcsavarodnak

a folyamathoz szükséges aminosavak származása: Fehérjeszintézis: a folyamathoz szükséges aminosavak származása: a táplálkozás során felvett fehérjékből a sejtekben levő fehérjék lebontásából az aminosavak megfelelő sorrendű összeépítése a DNS információját igényli (közvetve): a DNS egy szakaszáról mRNS készül, a DNS nukleitidsorrendje az mRNS nukleotidsorrend- jére íródik, ez a folyamat az átírás= transzkripció, az RNS szintéziskor valósul meg

a fehérje szintéziskor a mRNS nukleonid sorrendjének lefordítása történik a fehérje aminosav sorrendjének a nyelvére, ez a folyamat a lefordítás = transzláció a 3 nukleotidnyi információs egység 64- féle variációt tud létrehozni, ez elegendő a 20- féle aminosav kódolásához a gyakrabban használt aminosavaknak több kódja van, a genetikai kódrendszer degenerált a DNS molekula egymás után folyamatosan tartalmaz- za a bázishármasokat (átírás átfedés- és kihagyásmentes)

A fehérjeszintéziskor: a lánckezdésnek AUG, a láncbefejezésnek UAA, UAG UGA a kodonja, mRNS bázishármasa A fehérjeszintéziskor: a 20- féle aminosavat az aminosav-aktiváló enzimek hozzák reakcióképes állapotba az aktivált aminosavak tRNS-hez kapcsolódnak a fehérje bioszintézise a sejt riboszómáin megy végbe (ide kerülnek a sejtmagban keletkezett mRNS-ek és ide szállítják az aminosavakat a tRNS molekulák)

a tRNS antikodonja ismeri fel, hogy a szállított aminosavat hova kell az épülő polipeptidlánchoz kapcsolni a riboszóma végighalad az mRNS molekulán, az információ szerint mindig a megfelelő antikodonú tRNS molekula kerül a riboszóma felületére, az általa hozott aminosav az épülő polipeptidlánchoz kapcsolódik, a tRNS leválik a riboszómáról a riboszóma továbbhalad az mRNS mentén, újabb t RNS jön, szállítva az aminosavat …, a folyamat a „stop” kodonig tart, a fehérjelánc enzim segítségével leválik a riboszómá- ról

z 6.1.2. Mutáció A genetikai változatosság (diverzitás) a genetikai változékonyságra vezethető vissza. A genetikai változékonyság forrásai: - a gének megváltozása (mutáció) - a génösszetétel megváltozása (rekombináció) kapcsolatba hozható az ivaros szaporodással

Mutáció evolúciós szerepe: Mutáció fogalma: az örökítőanyag (DNS) megváltozása Mutáció evolúciós szerepe: mutációval a fajra jellemző örökítőanyagnak sokféle változata alakul ki a genetikai változatosság az evolúció feltétele a faj így tud alkalmazkodni a megváltozott körülményekhez

Mutáció hatása: előnyös (kedvező): pl. a kórokozó baktérium számára az adott antibiotikum- mal szemben rezisztens változat kialakulása hátrányos (kedvezőtlen): betegség, rendellenesség kialakulása, pl. Down- szindróma, albinizmus halálos (letális): pl. sarlósejtes vérszegénység kialakulása közömbös: fűzfánál a szomorúfűz változat kialakulása Mutációval kialakult génváltozatok tartósan fennmaradhatnak a fajon belül: pl. ABO vércsoportrendszer génjének a génváltozatai: IA, IB, i

Mutagének: mutációt kiváltó hatások, az osztódó sejtekre, illetve az intenzív anyagcseréjű sejtekre hatnak (főleg) fajtái: fizikai mutagének: pl. nagy energiájú sugárzások (UV, röntgen, radioaktív) kémiai mutagének: pl. azbeszt, mustárgáz, salétromossav biológiai mutagének: baktérium és gomba toxinok Hatásuk csökkentésének vagy kivédésének lehetőségei: a káros hatás kerülése (pl. az erős UV B sugárzás) használatuk korlátozása, illetve betiltása

Mutagének lehetnek karcinogének (rákkeltő anyagok): a mutáció következtében rosszindulatú daganat alakulhat ki Mutagének lehetnek teratogének : a mutáció következtében magzati károsodás alakulhat ki A genetikai rendellenességek kialakulásának az esé- lye a szülők életkorával növekszik oka: az idő növekedésével a petesejtet egyre több károsító hatás éri

Sellő-szindróma

Mutáció felosztása: Kiváltó ok alapján: Mutált sejt szerint: Spontán: közvetlen emberi beavatkozás nélküli Indukált: mesterséges úton, emberi beavatkozásra történik (pl. egy kutatólaborban) Mutált sejt szerint: Ivarsejti: öröklődhet Testi sejti: nem öröklődik pl. a mozaicizmus a testi sejti mutáció az embrionális fejlődéskor történik a mutált sejtből kialakult sejtklón hordozza a megváltozott örökítő anyagot pl. eltérő szemszín alakul ki (a szivárványhártyák eltérőek)

- Örökítő anyag szerint: Génmutáció (pontmutáció): A génben történik változás, a DNS- molekula másolása közben - nukleotidcsere: kicserélődik nukleotid a DNS- ben - nukleotid beékelődés: egy felesleges nukleotid épül be a DNS láncba - nukleotidkiesés: egy nukleotid kiesik a DNS láncból A megváltozott szervesbázis sorrend miatt megváltozhat a fehérjelánc aminosav sorrendje, illetve térszerkezete. A fehérje, az új szerkezettel nem mindig tudja az eredeti működését elvégezni, a változás a fenotípusban is jelentkezhet

Példa a génmutáció következményére: Sarlósejtes vérszegénység: autoszómás, recesszív betegség A hemoglobin fehérjeláncában egy aminosav eltérése, megváltoztatja a hemoglobin térszerkezetét A térszerkezet változása módosítja a vörösvérsejtek alakját és oxigénszállító képességét

Albinizmus: autoszómás, recesszív rendellenesség teljes festékanyaghiány a bőrben Fenilketonuria: autoszómás, recesszív betegség - anyagcserezavar: - enzimbetegség, a hibás aminosavsorrendű enzim nem működik - a fenilalanin nevű aminosav átalakítási folyamata nem megfelelő - mérgező anyagcsere termékek (fenilketonok)kerülnek a vérbe, a vizeletbe, károsítják az agyvelő idegsejtjeit, gyenge elméjűség alakul ki védekezés a tünetek kialakulása ellen: szigorú fenialanin-hiányos diéta

Kromoszómamutáció: a kromoszóma szerkezeti változása A kromoszómák kialakulása közben történik, mindig több gént érint, a gének nem változnak meg, csak a helyzetük vál- tozik egymáshoz képest - deléció: kromoszómarészlet kiesése - duplikáció: kromoszómarészlet betoldása - inverzió: kromoszómarészlet megfordulása - transzlokáció: áthelyeződés egyirányú: egy letört kromoszómarészlet átkerül egy másik kromoszómára kölcsönös (reciprok): homológ kromoszómák közötti átkereszteződéskor nem homológ kromoszómák közötti

Genommutáció: a kromoszómasorozat megsokszorozódása - A hibás sejtosztódás eredményezi - Triploid (3n) szervezetek: az emlősöknél életképtelenek a növényeknél életképesek, de szaporodásképtelenek, a nemesítés mag nélküli fajták kialakítására használja pl. banán - Teraploid (4n), és hexaploid (6n) szervezetek: sokszor nagyobb a termésük, mint a diploid egyedeknek pl. szőlő, narancs, alma, uborka Poliploid szervezet: 3- nál több genom van a testi sejtjeiben

6.1.3. A génműködés szabályozása

a génállományuk azonosságának magyarázata: A testi sejtjeink azonos genetikai információt (géneket) hordoznak, ugyanakkor különböző felépítésűek és működésűek (hámsejtek, izomsejtek, idegsejtek stb.) a génállományuk azonosságának magyarázata: az összes testi sejtünk a zigótából származik, sorozatos mitózissal, a mitózis során a genetikai információ mennyisége és minősége nem változik a felépítésbeli és a működésbeli különbözőségek magyarázata: a különböző testi sejtekben nem teljesen azonos fehérjék termelődnek, vagyis nem teljesen azonos gének működnek

A génműködés szabályozása történhet Testi sejtjeinkben sohasem aktív minden gén csak azok a gének aktívak amelyek az éppen szükséges fehérjéket kódolják A gének kikapcsolódnak, ha az aktuális sejtműködés nem igényli a fehérjéjüket. A gének működése szabályozott A génműködés szabályozása történhet a genetikai programmal a hormonokkal a külső hatásokkal (a környezet megváltozásával)

Génműködés szabályozása a környezet megváltozásával baktériumoknál: - Enzimindukció (szubsztrátindukció): kikapcsolt gének bekapcsolódnak környezeti hatásra (Jacob és Monod lac- operon modellje) - A kolibaktérium glükózt és néhány ásványi sót tartal- mazó táptalajon jól tenyészik nincsenek a sejtjében tejcukorbontó enzimek, ezekre nincs is szüksége a baktériumnak - azok a strukturgének, amelyek tejcukorbontó enzime- ket kódolják ki vannak kapcsolva

(operátor régió, indító régió) együttese az operon. A baktérium DNS-ének láncszakaszán levő strukturgének és az őket irányító DNS régiók (operátor régió, indító régió) együttese az operon. Az operon működését a szabályozó, regulátor gén irányítja. A regulátor gén az operontól távolabb helyezkedik el a DNS- en, ez kódolja a gátlófehérjét, a represszort, ami kap- csolódik az operátor régióhoz, így megakadályozódik az indító régióhoz kötődő RNS-polimeráz enzim működése (nem működnek a strukturgének)

Ha laktóz tartalmú táptalajra helyezik át a baktériu- mokat, akkor egy időre megáll a szaporodásuk, csak akkor szaporodnak tovább, amikor a struktur- gének bekapcsolódnak és beindul a tejcukrotbontó enzimek termelődése

A strukturgének azért kapcsolódnak be, mert a felvett tejcukor molekulák egy része kapcsolódik gátló fehérjékhez, a gátló fehérjék térszerkezete megváltozik, nem tudnak kapcsolódni az operátor régióhoz, illetve az operátor régióhoz kapcsolódó gátló fehérje is leválik az operátor régióról ekkor az operátor régió mellett levő indító régió-hoz kötődő RNS- polimeráz enzim át tud gördülni az operátor régión (nem ütközik a gátló fehérjé- be) végig gördül a strukturgéneken… képződnek a tejcukrot bontó enzimek Ha a tejcukor elfogy, a gátlás ismét érvényesül

A tejcukoroperon működése: negatív visszacsatolásos szabályozású az enzimszintézis gátlását csökkenti a tejcukor mennyiségének a növekedése, a csökkenése pedig növeli az enzimszintézis gátlását

Eukariótáknál: A génműködés szabályozása bonyolultabb: A génen belül kódoló (exon) és nem kódoló (intron) génszakaszok is vannak

A kódoló szakaszok (exonok) különböző összeilleszté- se eltérő információ tartalmú érett mRNS-eket ered- ményez, így eltérő aminosavsorrendű fehérjék képződnek ugyan arról a génről

Daganat (tumor): Fogalma: egyes sejtek rendellenes osztódása következtében kialakuló szövetburjánzás Fajtái: jóindulatú daganat: pl. szemölcs, polip sima felületével élesen elhatárolódik a környező szövetektől nem képez távoli áttéteket, a burjánzás egy szerven belül marad sejtjei egyformák, az adott szövetnek megfelelő felépítésűek és működésűek a sikeres műtét után a gyógyulás esélye 100%

rosszindulatú daganat: nem határolódik el élesen a környező szövetektől, behatol a környező szövetekbe távoli áttéteket képez, a burjánzás nem marad egy szerven belül áttét (metasztázis): másodlagos daganat a rosszindulatú daganat növekedése során, egyes sejtjei az eredeti helyükről elszabadulnak, a keringéssel más szervekhez is eljutnak, ott elszaporodnak és új daganatokat hoznak létre a sejtjei eltérnek az anyaszöveti sejtektől

A daganat kialakulását kiváltó tényezők: örökletes tényezők környezeti tényezők: mutagén hatások vírusok A daganat kialakulás megelőzésének lehetőségei: egészséges életmód rendszeres önellenőrzés pl. anyajegy vizsgálat rendszeres szűrővizsgálat pl. tüdőszűrés, emlőszűrés, méhnyakrák szűrővizsgálat

Néhány daganattípusra utaló jelek: bőrrák: leggyakrabban a fénynek kitett testrészeken alakul ki (arc, kéz) az elváltozás lehet a bőrfelszínnel egy síkban, vagy abból kiemelkedő, durva tapintású a színe különböző: barna, fekete, kékes, fehér stb. az esetek egy részében ártatlannak vélt festékes anya- ből indul ki, ekkor az anyajegy növekedésnek indul, szélei szabálytalanná válnak, viszket, vérzik

Bőrrák

a rákos daganat kemény tapintású szövetcsomó Emlőrák: a női szervezet leggyakoribb rosszindulatú betegsége a rákos daganat kemény tapintású szövetcsomó a környező szövetekkel történő összekapcsolódás miatt a bőr pórusai behúzódnak („narancshéj-tünet”), az emlőbimbó befelé fordul a daganat gyorsan ad áttéteket, főként a hónalji, kulcscsont feletti és a szegycsont mögötti nyirokcsomókban

Emlőrák szűrés

Emlőrák

a daganat nem fájdalmas Hererák: a herében kicsi, kemény csomó tapintható a daganat nem fájdalmas

Prosztata (dülmirigy) megbetegedések: prosztata megnagyobbodás: a húgycső összenyomódása miatt vizelési panaszok alakulnak ki (gyakori vizelés, éjszakai vizelés, vizeletrekedés) prosztatadaganat: prosztata megnagyobbodáshoz hasonló tünetek, illetve véres ondó ürítése, véres vizelet, húgycsővérzés (a daganat betör a húgycsőbe, illetve a húgyhólyagba) a daganat tompa gáti, keresztcsonttáji, deréktáji fájdal- makat is okozhat

Prosztatarák

a szűrővizsgálatokon való rendszeres megjelenés Méhnyakrák: korai formájában nem okoz tüneteket, emiatt fontos a szűrővizsgálatokon való rendszeres megjelenés a méhnyakrák sejtjei bejutnak a környező szövetekbe, a daganat ráterjed a végbélre és a húgyhólyagra főleg a környező nyirokcsomókban és a tüdőben képez áttéteket, általában lassan fejlődik a leggyakoribb tünetek: vérzés a menstruációk között, vagy a közösülés után, illetve szokatlan hüvelyfolyás leggyakrabban 25- 40 év között alakul ki

Méhnyakrák