Molekularna genetika

MOLEKULARNA GENETIKA

1. RAZVOJ GENETIKE?

Gregor Johan Mendel (1822-1884) - katolički sveštenik, Brno, Češka – osnivač genetike.
1856. godine postavlja eksperiment na grašku, na tom istraživanju radio punih 8 godina.
Smatra se da je radio sa preko 28.000 sadnica graška, te 1865. godine objavljuje svoje
rezultate u radu pod naslovom Eksperimenti sa biljnim hibridima (Experiments with
Plant Hybrids). Rezultate poslao tadašnjem botaničaru Negeliju u Minhen.

Tek 1900. trojica biologa toga doba: Correns (nijemac), Tschermark (austrijanac) i De
Vries (holanđanin) su u svojim odvojenim studijama potvrdili Mendelova istraživanja i
tek 35 godina poslije objavljenih rezultata ili 16 godina poslije Mendelove smrti, rezultati
njegovih istraživanja su definisani kao

I i II Mendelovo pravilo nasleđivanja

(uniformnosti, segregacije ili razdvajanja i nezavisnog kombinovanja).

1865. godina se uzima kao godina početka zasnivanja genetike kao samostalne biološke
discipline, a naziv Genetika usvojen 1902. godine na prijedlog Batesona.

Genetika

je biološka nauka koja proučava naslednost i varijabilnost osobina živih bića.

Naslednost

predstavlja proces prenošenja morfoloških, fizioloških i bihevioralnih

karakteristika živih bića iz generacije u generaciju

Tokom svoje relativno kratke istorije, saznanja do kojih se došlo istraživanjima u oblasti
genetike (danas do neslućenih mogućnosti manipulisanja genetičkim materijalom)
omogućila su unapređenje saznanja u različitim oblastima pa time i u oblasti animalne
proizvodnje

2. ĆELIJA, GRAĐA ŽIVOTINJSKE ĆELIJE?

Sve životne funkcije svakog živog organizma odvijaju se u ćeliji.

Ćelija

je osnovna

gradivna i funkcionalna jedinica svakog živog organizma. Oblik i veličina životinjske ćelije
zavisi od vrste, mjesta i funkcije koju u organizmu ima.

Prokariotske ćelije

– se odlikuju jednostavnijom građom od eukariotskih. One nemaju

izdiferencirano jedro ni ostale organele (bakterije i virusi – jednoćelijski organizmi).
Prokarioti su najbrojniji i najrasprostranjeniji organizmi na planeti. Veličina prokariotske
ćelije od 1-10 mikrometara. Genetički materijal u nukleoidu;

Sl. 1 – Osobine koje je posmatrao Mendel pri svom istraživanju

Eukariotske ćelije

- su složene građe i u njihovoj citoplazmi se nalaze organele okružene

membranama (biljke, životinje, ljudi). Eukariotske ćelije su veće i složenije 10-100
mikrometara. U eukariote se ubrajaju i neki jednoćelijski organizmi (kvasac).

Procesi naslednosti i varijabilnosti osobina se takođe odvijaju na nivou ćelije kao
materijalne osnove i veze između roditelja i njihovih potomaka.

U jedru (najveća organela – sl. 3) životinjskih ćelija smješten je genetički materijal u
hromozomima, a oni su nosioci naslednog materijala. Takođe u jedru se nalazi i jedarce u
kome se vrši sinteza i obrada ribozomskih RNK (rRNK). Sve je to smješteno u kompleksnu
i dinamičnu strukturu u kojoj je DNK čvrsto vezana sa proteinima – hromatin.

Organele koje sadrže eukariotske ćelije (sl. 2) su:

mitohondrije

(energetska postrojenja u

kojima se odvijaju oksidativni procesi razgradnje i vezuje se oslobođena energija koja se
iskorištava za biosintezu, transport metabolita kroz membrane i sve vrste kretanja),

lizozomi

(u njima se odvija ćelijsko varenje, tj. hidrolitičko razlaganje proteina, ugljenih

hidrata, masti i nukleinskih kiselina),

ribozomi

(sinteza proteina),

endoplazmatski

retikulum

(sinteza proteina i lipida, reakcije detoksifikacije),

Goldžijev aparat

(modifikacija i sekrecija proteina). Sve ove organele, zajedno sa citoplazmom, okružene
su

ćelijskom membranom

koja služi kao služba sigurnosti.

3. BIOMAKROMOLEKULI?

Među   molekulama   važnim   za   održavanje   života   poseban   značaj   imaju   dvije   klase
bioloških makromolekula: nukleinske kiseline - čuvari i prenosioci naslednih informacija:
(DNK - nosilac naslednih informacija i prenosilac naslednih informacija sa generacije na
generaciju; RNK - prenosilac naslednih informacija kroz ćeliju) – četiri vrste nukleotida
povezujući se različitim redoslijedom u lance grade neograničenbroj različitih molekula
nukleinskih kiselina; i   proteini - realizatori tih informacija. Sverazličite vrste proteina
izgrađene suod samo 20 različitih aminokiselina.U ćeliji (organizmu) imaju katalitičku
ulogu   (enzimi),   strukturnu   (kolagen,   kreatin,   elastin...),   regulatorna   (transkripcioni
faktori) i zaštitna (antitijela, toksini...).

4. DNK – PRIMARNA STRUKTURA?

Sl. 2 – Građa životinjske ćelije

Sl. 3 – Jedro životinjske ćelije

su denaturaciji.

Denaturacija

podrazumijeva narušavanje sekundarne strukture DNK

tako da dvolančani molekul DNK se razdvaja na dva polinukleotidna lanca od kojih svaki
prelazi u slučajno ispresavijan oblik bez uređene sekundarne strukture. Pod
odgovarajućim uslovima može doći do

renaturacije

, tj do ponovnog spajanja

komplementarnih lanaca DNK. Ovi procesi se konstantno odigravaju u ćeliji, pod
kontrolisanim uslovima i u ograničenom obimu. Oni predstavljaju neophodan preduslov
za normalno funkcionisanje DNK.

RNK su jednolančani molekuli
kod kojih su komplementarne
baze unutar lanaca i mogu da
nagrade kraće ili duže
spiralizovane

segmente

spajajući   se   H-vezama.   Ti
dvolančani   segmenti   čine
sekundarnu   strukturu   RNK
koja   je   izraženija   u
molekulima,   ili   dijelovima
molekula koje sadrže više G-C
parova   (3   H-veze).
Spiralizovani

dijelovi

molekula su otporniji na
dejstvo enzima nukleaza koji
hidrolizuju

pretežno

jednolančane polinukleotide. Zato su RNK sa izraženom sekundarnom strukturom
termodinamički i metabolički stabilnije.

7. DNK - NOSILAC NASLEDNIH INFORMACIJA?

Otkriće nukleinskih kiselina je bilo skoro u isto vrijeme kada je Gregor Mendel postulirao
postojanje naslednih faktora i pravila nasleđivanja, ali prvi eksperimentalni dokaz da je
DNK nosilac naslednih informacija objavljen je tek 1944. godine.

Osvald Ejveri

, američki mikrobiolog, je poslije desetogodinjeg istraživanja na bakterijama

Streptococcus pneumoniae

dokazao da je DNK nosilac naslednih informacija. On je u

medium u kojem je gajio nepatogene pneumokoke (R) dodavao ekstrakte patogenih (S) i
našao da određeni broj nepatogenih bakterija postaju patogene. Potomstvo ovako
transformisanih bakterija takođe biva patogeno. On je prečišćavao DNK iz ekstrakta
patogenih bakterija i nju dodavao u medijum u kome je gajio nepatogene bakterije i
primjetio je da je broj transformisanih bakterija bio utoliko veći ukoliko je DNK bila
prečišćena. Osim toga, pokazao je da ekstrakt patogenih bakterija koji je prethodno
tretiran dezoksiribonuleazom (enzim koji degraduje DNK) ne dovodi do transformacije.

Sl. 5 - Sekundarna struktura RNK

Ejverijevo otkriće je ostalo u sijenci još čitavu deceniju jer se tada vjerovalo da su

proteini

ti koji nose naslednu informaciju.

Dokaz da se i virusni geni sastoje od DNK dokazali su

Herši i Čejz

1952. godine kada su

izveli eksperiment sa virusima T2 kojim su inficirali bakteriju

Escherishia coli.

Oni su

dokazali da prilikom infekcije u bakteriju ulazi samo DNK virusa, a ne i njegov proteinski
omotač. To je dovoljno da se u inficiranim bakterijama formiraju novi virusi, usljed čega
dolazi do lizije inficirane ćelije i do oslobađanja nekoliko stotina novih virusa.

Otkriće da je DNK nosilac naslednih informacija i otkriće sekundarne strukture DNK je
omogućilo sagledavanje kompletnog mehanizma prenosa genetičkih informacija kroz
generacije, kao i definisanje načina na koji DNK kontroliše kompletne metaboličke
procese u ćeliji i

od tog momenta počinje vrtoglavi razvoj molekularne biologije.

Sl. 6 - Ogled Osvalda Ejverija – dokaz da je DNK nosilac naslednih osobina

Sl. 7 - Eksperiment Heršija i Čejza – dokaz da se i virusni geni sastoje od

DNK

Molekuli proteina su u određenom smislu jednostavni jer su građeni samo od 20
aminokiselina koje grade linearne lance proteina. Pošto se jedan protein može sastojati
od velikog broja aminokiselina, onda je broj redoslijeda različitih aminokiselina, odnosno
različitih molekula proteina ogroman (od 12 a.k. moglo bi se nagraditi 10

3000

različitih

molekula proteina od 340 aminokiselina u nizu, odnosno masa tih proteina bi bila
mnogostruko veća od mase Zemlje). U polipeptidnom lancu aminokiseline su
međusobno povezane peptidnim vezama koje se grade između karboksilne grupe jedne
aminokiseline i amino grupe druge aminokiseline u nizu.

Protenini   imaju   svoju   primarnu   strukturu   (broj   i   redoslijed   aminokiselina   u
polipeptidnom lancu), prostornu organizaciju odnosno konformaciju (trodimenzionalni
oblik proteina u nativnom stanju), sekundarnu, tercijarnu   i kvaternarnu strukturu, a
protein svoju biološku aktivnost postiže tek formiranjem tercijalne strukture. Takođe su
podložni procesima denaturacije i renaturacije.

Denaturacija

proteina je narušavanje

konformacije proteina (sekundarne, tercijarne i kvarterne) do primarne strukture.

Renaturacija

je spontan prelazak denaturisanih proteina u nativan, biološki aktivan oblik,

te se ponovo stiče enzimska aktivnost.

9. GENETIČKI KOD?

Genetički kod – Autobiografija -> Genom – Knjiga -> Hromozomi – Poglavlja -> Geni –
Priče (egzoni - poglavlja, introni – reklame) -> Kodoni – riječi -> Nukleotidi – slova.

Ubrzo nakon upoznavanja primarne i sekundarne strukture DNK bilo je jasno da je
genetička informacija smještena u DNK u obliku šifre i da sinteza proteina predstavlja
zapravo proces dešifrovanja genetičke informacije i njenog prevođenja u specifičan
redosled aminokiselina u proteinu. S obzirom da se

proteini sastoje od 20 aminokiselina,

nukleinske kiseline

su građene od 4
nukleotida

postalo

je   jasno   da   raličite
grupe   od   nekoliko
nukletida   čine   šifru
za

različite

aminokiseline.

Grupe   od   po   2
nukleotida   –   mogu
da   šifruju   16
aminokiselina,   a   po
tri   nuleotida   -   64
aminikiseline, što je
više   nego   dovoljno
za   šifrovanje   20
aminokiselina
(4

=16, 4

=64).

Genetička informacija je šifrovana tripletima nukleotida, a triplet nukleoida se naziva

kodon.

Odnosi između kodona i aminokiselina određeni su skupom znakova koji se

nazivaju

genetički kod.

Sl. 9 - Univerzalni genetički kod