Genetik

1
Genetik s 144 (140)
Introduktion: genetikens uppkomst S 168
(165)
•Klassisk genetik
-Hur egenskaper nedärvs, i vilka mönster
•"Molekylär" genetik
-Ärftlighetens biokemi - hur den genetiska
informationen ser ut och fungerar i
organismen
-Genteknik
Varför genetik i biologi 1?
•Särskilt klassisk genetik är ett viktigt
underlag för att förstå evolutionsteorin.
•Intressant även i ekologin och särskilt i
bevarandefrågor och biologisk mångfald
Praktisk betydelse
• Växtförädling/djuravel
• Medicin – ärftliga sjukdomar, cancer
• DNA-analys
• Forskningsverktyg
• Förklarar mycket i vår omvärld
Ärftlighet
•Att avkomman har en tendens att likna sina
föräldrar är en urgammal iakttagelse
•Ingen riktig ordning på det - ofta är avkomman
intermediär (en mellanform), men inte alltid.
Ibland är den mest lik den ena föräldern, men
drag av den andra kan dyka upp i senare
generationer
•Stenåldersbonden begrep en hel del av detta, och
om en odlad växt eller ett husdjur hade särskilt
bra drag försökte man spara dessa exemplar för
avel, i hopp om att få mera.
•Växter och husdjur förändrades - evolution.
Detta utvidgades av Darwin till naturen.
Evolutionsteorin
Darwin 1859
Att en evolution har skett och sker hade han
dokumenterat mycket väl, men inte den
föreslagna mekanismen med naturligt urval,
som är helt central i teorin:
•Variation (slumpvis)
•Naturligt urval, de "bästa" lämnar mest
avkomma
•Variationen måste vara ärftlig
Darwin förstod inte ärftligheten - ett av skälen till
att hans föreslagna mekanism inte slog igenom
förrän på 1930-40-talet
Gregor Mendel
(1822-1884)
Genetikens fader
Mendels val av material - ärtor
•Mendel valde sitt material skickligt, och hade
dessutom tur med valet
•Många sorter med konstanta egenskaper
(självbefruktning) - lätt att korsa kontrollerat
•Test av sju olika egenskapspar
•Han började med att korsa plantor som bara
skilde sig i en egenskap.
•Mönstergill vetenskaplig undersökning
Korsning lila och vita blommor
P - parentalgeneration; F1 - filialgeneration 1
(filius = son); etc
•P lila och vita blommor
•F1 alla lila, oberoende av "faderskap"
•F2 1/4 vita och 3/4 lila, oberoende av
"faderskap" (total jämställdhet)
- De vita F2-plantornas avkomma blev
alltid vita (som hos den ena föräldern i
P)
- Av de lila i F2 fick 1/3 (1/4 av hela F2)
en avkomma som alltid var lila (som
den andra föräldern i P), resten uppförde
sig som F1 - både lila och vit avkomma
RITA
Mendels observationer
•Nedärvningen sker med distinkta anlag som
inte blandas
•Fader och moder i en korsning är helt
likvärda
•F1 och 2/3 av de lila F2 (=hälften av hela F2)
måste vara bärare av anlag för vit färg
•Alla de 7 undersökta egenskaperna uppförde
sig exakt på detta sätt.
•Nedärvningen av de olika egenskapsparen
var helt oberoende av varandra
•Hur förklara detta?
2
Mendels teori S 170-172 (168-169)
•Varje cell i en planta har två anlag för varje
egenskap, ett från fadern och ett från
modern
•När en planta har två olika anlag dominerar
det ena (dominant) medan det andra "viker
undan" (recessivt). Endast tre
kombinationer är möjliga med två anlag
•Vid bildning av pollen och äggceller får
dessa bara ett av plantans anlag, slumpvis
vilket. Hos F1 får då t ex 50% av
pollenkornen anlag för lila färg, 50% för vit
•Detta ger exakt det observerade mönstret
•Test genom återkorsning med vit stamform RITA
• Men vad var det för ämne som var bäraren
av arvet............?
•Monohybrid och dihybrid klyvning – ett eller
två anlags(egenskaps-)par (återkommer
senare i kursen).
•Zygot
F2 i dihybrid klyvning ger alla tänkbara
egenskapskombinationer, även de som ej fanns hos Pgenerationen - intressant i växtförädling och evolution.
Sedan
•Publicerades 1866 i en lokal tidskrift i Brünn
(Brno), relativt få läste det
•Mendel var före sin tid
•Ingen som kunde förstå betydelsen av resultaten
läste arbetet
•Vad hade hänt om Darwin sett det?
Återupptäckt ca 1900
•Tre forskare oberoende av varandra
•Tiden var mogen - mycket hade hänt inom
celläran
-Mikroskopets upplösningsförmåga var redan i
slutet av 1800-talet begränsad av ljusets
våglängd.
-Celldelningan och kromosomerna var kända
•Varje art har sitt eget antal kromosomer i
varje cell; två av varje slag i kroppsceller;
en av varje slag i könsceller. Jfr Mendels
anlag.
•Redan 1902 kopplades kromosomerna ihop
med arvet
•Mendel hyllades som genetikens grundare
efter sin död
• Snart nog lärde man sig att generna satt
uppradade på specifika platser på
kromosomerna, och t o m i vilken ordning
de satt!
Begrepp och terminologi behövdes och
utvecklades S 169-172 (164-167)
•Genotyp - individens genetiska konstitution
•Fenotyp - individens fysiska egenskaper
•Diploid
•Haploid
•Gamet
Två kromosomer/anlag av var
sort finns i cellen
(2n)
En kromosom/anlag av var sort
finns i cellen
(1n)
könscell (haploid), t ex sädes- eller
äggcell
bildas v. befruktning (diploid), t ex
befruktad äggcell
•Homozygot
-Båda anlagen för en egenskap är lika
AA, aa
•Heterozygot
-Båda anlagen för en egenskap är inte lika
Aa
-Olika anlag har alltså ärvts från respektive
förälder
•Dominant
-Det dominanta anlaget bestämmer
egenskapen
A
•Recessiv
-Det recessiva anlagets uttryck syns inte i
närvaro av den dominanta
a
S 166-167:
•Gen (arvsanlag) - ett ibland lite luddigt
begrepp
-Biokemiskt: en bit av en kromosom (DNA)
som har en bestämd uppgift i cellen.
•Locus
-Platsen på en kromosom för en viss gen,
som kodar för en viss sorts egenskap
•Allel
-Variant (alternativ version) av en viss gen i
ett visst locus. En allel skiljer sig från en
annan genom detaljavvikelser i den
genetiska koden.
En kromosom kan alltså bara ha en allel i
ett locus, och en individ max två olika
alleler
3
-Multipla alleler - många varianter kan
finnas av genen i ett visst locus
•Exempel: en gen i ett visst locus bestämmer
blomfärg. Vilken färgen blir bestäms av
vilken/vilka alleler individen har
•Homologa kromosomer
-Olika exemplar i samma cell av
kromosomer med samma storlek och
byggnad, med samma loci, med gener för
samma sorts egenskaper. Hos diploida
organismer finns de i par, där en är från
far och en från mor. Antalet par homologa
kromosomer betecknas med n, det
haploida kromosomtalet.
Proteiner
gör grovjobbet i cellen
•Enzymer
-"Cellens kemiska arbetare", som i princip
sköter allt i cellen
•Strukturproteiner, t ex fibrer
•Proteiner är högmolekylära kedjor av
aminosyror
•20 aminosyror finns, med olika egenskaper
hos sidokedjan
•Vilka aminosyrorna är, deras ordning och
antal, bestämmer proteinets egenskaper
•Proteinerna bestämmer cellens egenskaper
•Vilka aminosyrorna skall vara i ett protein, och deras ordning, är
kodat i arvsmassan
Lite mer exakt formulering:
Homozygot (för en gen/ett locus)
-Samma allel i dubbel uppsättning AA, aa
•Heterozygot
-Olika alleler i de två homologa kromosomerna
Aa
Olika alleler har alltså ärvts från respektive
förälder
•Dominant
-Den dominanta allelen bestämmer egenskapen
A
•Recessiv
-Den recessiva allelens uttryck syns inte i
närvaro av den dominanta
a
Nukleinsyror (s 145 (142))
Introduktion till den ”molekylära”
delen
DNA-dubbelspiralen
Repetition cellen, s. 141-142 (136-139
• Omges av ett tunt cellmembran
• Ibland även av en tjockare cellvägg ( t ex växter, svampar,
bakterier m fl)
• Arvsmassa i form av DNA
• Organeller (”cellorgan) kan sköta olika uppgifter i cellen
• Prokaryota celler saknar cellkärna och organeller; kan dock röra
sig med en speciell typ av roterande flagell
• Eukaryota celler har cellkärna och organeller, samt äkta gissel
(flageller, cilier; cilier är korta)
Cellens kemiska beståndsdelar s. 140,
145 (136, 142)
Fyra huvudgrupper av organiska ämnen
dominerar i cellen:
• Proteiner (CHON) Strukturproteiner,
enzymer
• Nukleinsyror (CHONP) Arvsmassa
• Kolhydrater (CHO) Socker, stärkelse, cellulosa mm
(t ex energilager, cellväggsmaterial)
• Fetter (CHO) Energilager, cellmembran mm
bärare av den genetiska koden
•DNA och RNA
-Deoxiribonukleinsyra resp.
Ribonukleinsyra
•Högmolekylära kedjor (fosfat-socker), med
en av 4 olika kvävebaser som sidokedja på
varje socker
•Bärare av information genom ordningen på
kvävebaserna.
•DNA är arkivet, RNA är mer en arbetande
molekyl.
•Kvävebaserna passar ihop parvis, så den
andra strängen i DNA har en komplementär
kod.
•RNA är oftast enkelsträngat, medan det
stabilare DNA skyddar koden med en
dubbelspiral. Arkivet behöver vara stabilt.
Deoxiribonukleinsyra, DNA
•Innehåller det arkiverade "receptet" på
individen
•Det är skrivet i DNA-molekylen med ord på
tre bokstäver, med ett alfabet på fyra
bokstäver (ACGT; de fyra kvävebaserna)
•Varje "ord" (triplett) motsvaras av en
aminosyra
•Varje "sida" (gen, arvsanlag) i receptet
motsvarar vanligen ett protein, som ofta är
ett enzym
4
•Kärnan innehåller "arkivet" eller
"biblioteket", som dupliceras inför varje
celldelning. Varje cell har ett komplett
arkiv.
•Arkivet är samlat i flera DNA-strängar,
kromosomer, i cellkärnan, stabiliserat av
proteiner
•Prokaryoter har bara en, ringformad, ganska
liten kromosom, ”lös” i cytoplasman
•En människocell innehåller ca 1m DNA(!),
som är fördelat på 46 kromosomer
•DNA:t är hopsnott i flera steg i
kromosomerna, kraftigast under
celldelningen (undviker trassel)
Hur får varje cell en egen kopia av
koden?
•DNA:t kopieras genom att dubbelspiralen
går isär,
•passande (komplementära) fosfat-sockerkvävebas-element (nukleotider) klistras in
av enzym (DNA-polymeras) så
•vi får två likadana spiraler
Kopiering av DNA. DNA polymeras S 154
Om fel i kopieringen: en mutation har
uppstått
•Mutation – förändring i arvsmassan
•Kan vara en ”bokstav” (baspar) som blivit
felkopierad (kan vara mer komplext)
•En felaktig bokstav kan då t ex ge en
felaktig aminosyra i ett enzym, som kan
göra att det inte fungerar – en
förlustmutation.
Hur används arkivets information?
•Vid behov av ett protein, t ex ett enzym, ute i
cellen
*går en kemisk order in i kärnan
(genreglering, s 152 (152)),
*relevant sida ur DNA-receptet skrivs om
(kopieras) som mRNA, (transkription, och
*kopian går ut i cytoplasman,
*där det behövda enzymet tillreds (koden
läses och översätts till protein, translation
Transkription S 149 (148)
Informationen i koden skrivs om från DNA
till mRNA (messenger-RNA, budbärar-RNA)
med hjälp av enzymet RNA-polymeras.
RNA-polymerasets avläsning startar vid en
promotor, slutar vid en stoppkod.
Avläsningen/transkriptionen kan stimuleras eller
hämmas av reglerande molekyler som kan fästa
på DNA-t
Translation S 150 (151)
I ribosomerna i cytoplasman sker
översättningen från koden i mRNA till
protein med hjälp av transfer-RNA (tRNA).
tRNA har ett antikodon i ena änden och
motsvarande aminosyra i den andra. I
ribosomen kopplas antikoden i tRNA till
motsvarande kod på mRNA och
aminosyrorna kopplas sedan ihop när
mRNA passerar ribosomen.
t-RNA är en översättarmolekyl, med det genetiska
kodspråket i ena änden (antikodon) och
proteinspråket (aminosyran) i den andra.
Polypeptid =
kort proteinkedja
Översikt över sambanden
(”the central dogma”)
Kod i DNA-arkivet
skrives om i kärnan till
Kod som RNA-kopia
Substanser i cellen
styr vilka gener som
skall aktiveras.
Dessa ämnen bildas i
cellen eller tillförs utifrån.
Miljön är viktig!
som läses och översätts
i cytoplasman till
Protein
som avgör
Cellens egenskaper
•Eukaryoter har mest "skräpDNA"
(introner), som måste klippas bort
enzymatiskt före translationen.
5
Mitos och meios S 156-158 (155-157
•Mitos (vanlig celldelning):
-två lika dotterceller
•Meios (reduktionsdelning):
-fyra dotterceller med halverat kromosomtal
efter två delningar
Några viktiga termer
•Kromosom
-Stor DNA-molekyl, som är bärare av arvet
i en cell, i synnerhet i sitt upplindade och
synliga stadium. Innehåller även bundna
proteiner mm.
•Kromatider (systerkromatider)
-De båda delsträngarna av DNA i en
kromosom där DNA-t delat sig
(replikerats) men inte separerat
•Centromer
-Den punkt på kromosomen där
systerkromatiderna sitter ihop
•Haploid
-Varje sorts kromosom finns i bara ett
exemplar i cellen
•Diploid
-Varje sorts kromosom finns i två exemplar
i cellen
•Homologa kromosomer
-Olika exemplar av samma sorts kromosom
i en cell. De har samma storlek och
byggnad, med gener för samma sorts
egenskaper. Hos diploida organismer
finns de i par, en från vardera föräldern
Mitosens och meiosens faser (se
bilder s 157-158 (156-157)
(se även DNA, proteinsyntes, genreglering
och celldelning på nätet)
Meiosen
Jämförelse mellan mitos och meios
Homologa kromosomer lägger sig parvis,
med kromatider och allt
Första delningens metafas, anafas och
telofas: förloppen är snarlika, men i meiosen
är det de två homologa kromosomerna (med
systerkromatider som hela tiden sitter ihop)
som separerar, inte kromatiderna som i
mitosen. Vi får i meiosen två haploida celler
där kromosomerna från början är delade i
systerkromatider
Andra delningens Profas, metafas och
anafas: förloppen är i stort identiska, med
separerande kromatider, men cellerna är bara
haploida i meiosen.
Andra delningen i meiosen fungerar i princip som en
mitos hos en haploid cell.
 I mitosen går varje kromosoms
systerkromatider till olika dotterceller
 I meiosen:
o I den första delningen paras
kromosomerna i varje homologt par
ihop, och separerar sedan till olika
dotterceller.
o I den andra delningen separerar varje
enskild kromosoms systerkromatider.
o Resultat: fyra haploida celler från en
diploid.
Mitos för konstans, men meios för
mångfald
•Om vi har n kromosompar, kan vi få 2n
olika kromosomkombinationer i
könscellerna
•En människa, med 23 kromosompar, kan då
bilda 223 olika varianter, dvs > 8 miljoner
•I verkligheten ännu fler, då kromosomerna
kan utbyta delar med varandra under
meiosen
6
Klassisk genetik S 169 (165)
Repetition och fortsättning
•Gamet
•Zygot
könscell (haploid)
bildas v. befruktning (diploid)
Monohybrid klyvning (ett allelpar) med
dominans S 170-172 (168-169)
•Rita korsningsschema
•P-generationFöräldra- (parental-)
•F1- generation 1 gen. avkomling (filial-)
•F2- generation 2 gen. avkomling
•Klyvningstal fenotypernas proportioner
(3:1)
•Återkorsning med recessiv homozygot
avslöjar genotypen (s 173 (170))
Intermediär nedärvning
Heterozygoterna är intermediära, så vi får tre
fenotyper i F2. (Saknas i boken!)
Dihybrid klyvning (två separat nedärvda
allelpar) Bild s 175 (172)
•P: AAGG lila blomma, gul ärta
aagg
vit blomma, grön ärta
(i boken betecknade med A och B)
•I F2 generationen klyver alla genotypiska
och fenotypiska kombinationer ut.
Klyvningstal 9:3:3:1
•Om en individ är homozygot eller
heterozygot för en dominant allel kan testas
med återkorsning med homozygot recessiv
• Återkorsning (jfr s 173 (170)) AaGg med
aagg ger lika många av de fyra tänkbara
fenotyperna (klyvningstal 1:1:1:1), medan t
ex
• AAGG med aagg ger enbart heterozygoter,
som alla har de dominanta egenskaperna (en
fenotyp)
Könsbestämning S 179 (177)
Könsbundet arv
Se bilder och exempel i boken!
Koppling
•Olika gener på samma kromosom tenderar
att nedärvas tillsammans
•
•B grå färg
b svart färg
•A långa vingar
a korta vingar
(I boken s 176 (173) F resp. V i stället för A
och B)
Överkorsning
•Separerar gener på samma kromosom under
meiosen – bryter kopplingen
•Ökat antal genetiska
kombinationsmöjligheter
Mutationer och ärftliga sjukdomar s
181 (179)
•Mutation - förändring i arvsmassan
•Kan vara en "bokstav" (baspar) som blivit
felkopierad
•En felaktig bokstav kan då t ex ge en felaktig
aminosyra i ett enzym, som kan göra att det
inte fungerar - en förlustmutation.
•Mutationer kan också vara större
förändringar i eller bland kromosomerna, t
ex fördubblingar, förluster eller
"omstuvningar" av kromosomavsnitt.
•De flesta mutationer har skadlig effekt, eller
ingen effekt alls. Bara ett fåtal är positiva.
•Mutationsfrekvensen ökas av joniserande
strålning och vissa kemikalier.
•Autosomal nedärvning
-Autosomala kromosomer (autosomer,
"icke könskromosomer") - samma hos
båda könen
•Könsbunden nedärvning - vanligen i Xkromosomen
•Monogena egenskaper - en gen i ett locus
•Polygena egenskaper - gener i flera loci
påverkar
Kromosomtalsdefekter
•Missar i meiosen
•Downs syndrom - 3 kromosom 21
•Turners syndrom - X0
•Klinefelters syndrom - XXY
•Med flera