Dedičnosť alebo heredita je základný biologický proces, pri ktorom sa na rodičoch a ich potomstve vzniknutom pohlavnou cestou prejavuje podobnosť až zhodnosť v jednotlivých znakoch a vlastnostiach. Podstatou dedičnosti je dedenie. Dedičnosť sa realizuje v čase, t. j. v postupnosti generácií organizmov na základe rozmnožovania. Hmotný základ dedičnosti pri súčasných živých organizmoch je výsledkom dlhotrvajúcej evolúcie. Genetická informácia je zapísaná v postupnosti báz na molekule DNA, táto postupnosť sa prenáša na molekulu RNA (transkripcia) a z nej na postupnosť aminokyselín v špecifických bielkovinách (translácia, biosyntéza bielkovín) enzymatického charakteru, ktoré potom kontrolujú a usmerňujú procesy látkovej premeny v organizme potomkov. DNA dostane potomok od svojich rodičov prostredníctvom pohlavných buniek, v ktorých je uložená najmä v chromozómoch. Dedičnosť študuje genetika.
Každý človek má v tele tisícky génov, ktoré sa zhlukujú do chromozómov. Tých máme v tele 23 párov. Párov preto, že zdedíme jeden chromozóm od každého rodiča. Preto nesieme gén pre danú vlastnosť vždy dva krát. Prvý krát máme gén na chromozóme, ktorý máme od otca a druhý krát je gén o tej istej vlohe na chromozóme od matky. Napríklad otec je pravák. On poskytne alelu o praváctve, ale od matky máme informáciu o používaní ľavej ruky. Ale môže sa stať, práve ako v príklade, že od každého z rodičov získame rozdielnu vlohu pre znak.
Dedičnosť sa delí podľa kvalitatívnych znakov na autozomálnu a genozomálnu. Podľa kvalitatívnych znakov znamená že sa ovplyvňujú iba jedným génom a preto sa nazývajú aj monogénne znaky. Sú to napríklad: farba očí, vlasov, pleti atď. Autozomálna dedičnosť je že gény sú umiestnené v chromozómoch ktoré neurčujú pohlavie - v autozómoch. To sú znaky ako telesná výška, rasa človeka a podobne. Majú vyšší počet génov ale s malým účinkom, tie sa navzájom ovplyvňujú a vytvárajú polygénny systém.
Pre označovanie génov sa používajú písmenové znaky. Dominantná alela je označovaná veľkým písmenom a recesívna malým písmenom. V dosť zjednodušenej podobe sa môže vyskytovať genetická informácia napríklad štrbavosť a to vo forme AA alebo aa. Malé a označuje podradenú (recesívnu) alelu. Krížením Aa s Aa vznikne aa a tým vzniká potomok u ktorého sa štrbavosť neprejaví.
Huntingtonova choroba je autozómovo dominantné dedičné ochorenie. Znamená to, že stačí zdediť jednu kópiu chybného chromozómu a choroba sa u postihnutého niekedy počas života rozvinie, hoci druhý z páru chromozómov je zdravý. Gén, ktorý spôsobuje Huntingtonovu chorobu sa nachádza na štvrtom chromozóme. Každý človek má v tele dve kópie tohto chromozómu - jeden od matky a jeden od otca. Stačí, aby jeden z nich bol “chybný” - obsahoval viac CAG opakovaní ako je bežné - a choroba sa u daného človeka rozvinie.
To, či človek zdedí normálny alebo chybný gén od rodiča s Huntingtonovou chorobou (či už s rozvinutými symptómami alebo bez) určuje náhoda. Preto je šanca 50%. Ale pozor, riziko 50:50 neznamená, že polovica potomkov v rodine s Huntingtonovou chorobou dostane ochorenie. Každé z detí má svoju 50%tnú šancu, ktorú neovplyvňuje to, či súrodenci chorobu majú alebo nie. Prečo je to tak? U jedného z rodičov sa nachádza jeden zmutovaný a jeden zdravý gén, u druhého sú to obidva zdravé gény. Dve z nich znamenajú, že potomok bude mať Huntingtonovu chorobu, dve, že bude zdravé. Preto je šanca práve 50%.
Huntingtonova choroba nemôže “preskočiť” generáciu. Po genetickom testovaní rodiča môžu šance prenosu ochorenia dieťaťa resp.
Skúmaním dedičnosti sa v 19. storočí zaoberal prírodovedec Johan Gregor Mendel pôvodom z Česka. V kláštornej záhrade v Brne skúmal až 10 rokov prenos dedičných vlastnosti siateho hrachu, vtedy urobil niečo cez 30 000 pokusov. Pri pestovaní hrachu vybral 2 vlastnosti a zisťoval ich prenos na potomkov. Spojil biológiu a matematiku, písal si záznamy a ich obsahom boli základne zákonitosti o dedičnosti. Tie sa momentálne nazývajú Mendelové zákony.
Genetika je veda o dedičnosti (heredite) a premenlivosti (variabilite) organizmov. Gén (dedičná vloha ) - je základnou funkčnou jednotkou dedičnosti. Je to úsek molekuly DNA, ktorý nesie úplnú genetickú informáciu pre určitý biologický prejav- vlastnosť. Potomkovia nededia od rodičov hotové znaky, ale len predpoklady - gény, ktoré sa môžu, ale nemusia prejaviť napr. gén pre farbu očí.
Alela - konkrétna forma (kvalita) určitého génu. Nesie informáciu pre príslušnú formu znaku. Napr. gén pre farbu kvetu hrachu má alelu pre červenú farbu kvetu hrachu a alelu pre bielu farbu kvetu. Dominantná - nadradená - označuje sa veľkým písmenom. Recesívna - fenotypový prejav bol potlačený - označuje sa malým písmenom.
Genotyp - súbor všetkých génov živého organizmu, tak ako sa u neho vyskytujú v konkrétnych formách - alelách. Fenotyp - súbor všetkých znakov živého organizmu, ktoré sa u neho prejavili - napr. farba tela, farba očí, typ metabolizmu, temperament atď. Homozygot - je jedinec, ktorý má pre určitý znak na obidvoch chromozómoch rovnaké alely. Napr.: farbu kvetu rastliny podmieňuje gén, ktorý má dve alely - alela pre červenú farbu ("A") a alela pre bielu farbu ("a"). Homozygot dostal od oboch rodičov rovnaké alely teda alelový pár génu tvoria obe červené alely -"AA" alebo obe biele "aa". Heterozygot - je jedinec, ktorý má pre určitý znak na obidvoch chromozómoch rôzne alely. Podľa predch. príkladu má v géne jednu alelu pre červený kvet a jednu pre biely "Aa".
Genetická informácia organizmov je zapísaná v primárnej štruktúre molekuly DNA. Predstavuje ju poradie nukleotidov so 4 dusíkatými bázami. Teda pomocou 4 písmen: A, T, C, G je zapísaná celá genetická informácia. Genetický kód je kľúč - šifra, pomocou ktorého sa dá čítať (dešifrovať) genetická informácia. Vlastnosti genetického kódu: a) univerzálny - všetky organizmy majú rovnaký spôsob kódovania genetickej informácie b) neprekrývajúci - každý nukleotid je súčasťou len jedného kodónu c) degenerovaný - jednu aminokyselinu kóduje viac kodónov. Napr. valín je kódovaný: GUC, GUU, GUA, GUG.
Nukleové kyseliny (NK) sú makromolekulové látky označované ako hmotní nositelia dedičnosti. V ich primárnej štruktúre je zapísaná genetická informácia. Nukleové kyseliny objavil v r. 1869 Švajčiar J. F. Miescher - názov dostali podľa toho, že sa našli v jadre bunky. Rozlíšili sa 2 typy nukleových kyselín. Kyselina deoxyribonukleová - DNA a kyselina ribonukleová - RNA. Objav štruktúry molekuly DNA sa datuje do roku 1952 a o rok neskoršie dostali jej objavitelia J. Watson a F. Crick Nobelovu cenu. Každý nukleotid pozostáva z: • dusíkatej organickej bázy • cukru (pentózy) • kyseliny fosforečnej. DNA je pravotočivá dvojzávitnica, ktorej obidva reťazce vznikli spojením nukleotidov. Stavba nukleotidu DNA: • dusíkatá báza A (adenín) ↔ T (tymín) C (cytozín) ↔ G (guanín). Tieto dusíkaté bázy sú navzájom doplnkové - komplementárne, čo znamená, že sa môžu viazať iba navzájom a nie s inými dusíkatými bázami. Sú spojené pomocou vodíkových väzieb. V bunkách sú prítomné 3 druhy RNA: • mRNA (mediátorová RNA) - obsahuje prepis informácie z molekuly DNA o primárnej štruktúre bielkovín na miesto proteosyntézy • tRNA (transferová RNA) - prenáša voľné aminokyseliny na miesta proteosyntézy • rRNA (ribozómová RNA) - je súčasťou ribozómov. Úlohou RNA je zabezpečovať realizáciu genetickej informácie. Ich funkcia spočíva v sprostredkovaní prenosu genetickej informácie z poradia nukleotidov v DNA do poradia aminokyselín pri biosyntéze bielkovín.
Expresia génu je realizácia génu, ktorá prebieha na molekulovej úrovni ako dvojstupňový proces. Zahŕňa transkripciu a transláciu. 1. Transkripcia (prepis): Ide o prepis genetickej informácie z molekuly DNA do molekuly mRNA, čím sa syntetizuje molekula mRNA. Prebieha týmto spôsobom: Narušením vodíkových väzieb medzi komplementárnymi bázami vlákna DNA sa čiastočne oddelia reťazce DNA. Jeden reťazec sa stane matricou (predlohou) na transkripciu. Na princípe komplementarity báz sú priraďované voľné nukleotidy RNA, čím sa utvorí nové vlákno molekuly mRNA. Jednotlivé nukleotidy potom navzájom spojí (spolymerizuje) v správnom poradí enzým RNA - polymeráza. Vzniknuté vlákno mRNA sa cez jadrové póry uvoľní do cytoplazmy, kde sa viaže na ribozómy.
2. Translácia (preklad): Zahŕňa preklad genetickej informácie z poradia nukleotidov do poradia aminokyselín polypeptidového reťazca (t.j. do primárnej štruktúry bielkovín). Týmto procesom sa syntetizujú molekuly bielkovín, v procese nazvanom proteosyntéza. Je prísne regulovaná. Syntéza bielkovín sa uskutočňuje na ribozómoch. Niekedy sa na jednu molekulu mRNA viaže niekoľko ribozómov, čím sa vytvára útvar polyzóm (pripomína korálky navlečené na šnúrke). Každý ribozóm pozostáva z veľkej a malej podjednotky. Translácia prebieha týmto spôsobom: Na ribozómy sa k jednotlivým kodónom (tripletom dusíkatých báz) mRNA dočasne pripájajú svojimi antikodónmi molekuly tRNA, nesúce jednotlivé aminokyseliny zo zásoby voľných aminokyselín v cytoplazme. Každá aminokyselina má svoju vlastnú tRNA. Teda ak existuje 20 aminokyselín, existuje 20 rôznych tRNA. Len čo sa tRNA s aminokyselinou pripojí ku kodónu mRNA, utvorí sa peptidová väzba medzi susednými aminokyselinami. tRNA sa uvoľní a môže prenášať ďalšiu aminokyselinu. Postupným pripájaním tRNA s aminokyselinami a ich spájaním polypeptidovou väzbou rastie polypeptidový reťazec novej bielkoviny. „Čítanie kodónov“ sa uskutočňuje rýchlo, za 1 minútu sa zaradí do polypeptidového reťazca asi 1000 aminokyselín.
Vzťah medzi nukleovými kyselinami a bielkovinami: - obidva sú makromolekulové látky a pri syntéze bielkovín je potrebná tRNA, ktorá viaže AMK a prenáša ich z cytoplazmy na ribozómy.
Príklad: Prepíšte genetickú informáciu týchto kodónov DNA do kodónov RNA: AGA CAA CGA AAA CCA ATA GCT CCT CTA. Aký typ RNA ste vytvorili? Vytvorte aj druhý komplementárny reťazec DNA. Ktoré aminokyseliny kóduje genetická informácia týchto kodónov? Vyhľadajte v tabuľke.
Mendelove zákony:
- Zákon uniformity prvej generácie - ak navzájom krížime homozygotné jedince, prvá generácia je genotypovo aj fenotypovo zhodná - uniformná.
- Zákon štiepenia - ak navzájom krížime heterozygotné jedince, vzniknutá generácia je genotypovo aj fenotypovo odlišná. Potomkovia sa vyštiepili v určitých štiepnych pomeroch. Genotypový štiepny pomer je 1:2:1. Fenotypový štiepny pomer je 3:1.
- Zákon o voľnej kombinovateľnosti - pri tvorbe gamét sa alely rôznych génov správajú k sebe nezávisle a kombinujú sa na princípe každý s každým.
Príklad dedičnosti
Sledujeme prenos jedného znaku - používania ruky. Každý rodič má inú formu génu. Ako to bude s ich deťmi? Platí prvý Mendelov zákon. Čo nasleduje ak by si jedno z týchto detí vzalo iného človeka z podobnej rodiny? 3 zo 4 detí by boli praváci. Potomkovia sa navzájom odlišujú nielen genotypovo, ale aj fenotypovo. Vytvoríme fenotypový štiepny pomer - FP. V tomto prípade FP je 3:1. (Tri deti budú praváci a jeden ľavák). Genotypový štiepny pomer - GP je 1:2:1. (Vznikol jeden dominantný homozygot, dvaja heterozygoti a jeden recesívny homozygot). Potvrdili sme si druhý Mendelov zákon - zákon štiepnych pomerov.
Teraz okrem používania ruky budeme sledovať aj farbu očí. Sledujeme dva znaky - dihybrida. Praváctvo a hnedá farba očí sú dominantné znaky. Prehľadnosť využijeme kombinačný štvorec. - praváci hnedookí, ale heterozygoti - AaBb. Vytvoria až 16 možných kombinácií. Využitím kombinačného štvorca vidíme ihneď výsledok.
Spätné kríženie je zámerný oplodňovací proces, pri ktorom sa krížia jedince F1 alebo ďalších generácií s pôvodným rodičovským genotypom. V podstate sa jedná o kríženie heterozygota s rodičom, ktorý je dominantný alebo recesívny homozygot. V prípade kríženia s dominantným homozygotom sú hybridy fenotypovo rovnaké ale genotypovo odlišné.
Testovacie kríženie: Kríženie heterozygota a recesívnym homozygotom, potomkovia sú heterozygoti a recesívni homozygoty (1:1) ale dajú sa fenotypovo odlíšiť. Využíva sa pri určovaní genotypu.
Typy dedičnosti podľa dominancie:
- Úplná dominancia - je stav, keď jedna alela v genotype prevláda nad druhou. Alela A je úplne dominantná nad alelou a, ak sa fenotypovo heterozygot Aa a dominantný homozygot AA neodlišujú.
- Neúplná dominancia (intermediarita) - nie je vzťah nad a podriadenosti. Je to stav, keď sa obe alely A, a podieľajú na utvorení znaku heterozygotas rovnakou intenzitou; heterozygot Aa sa fenotypovo odlišuje od homozygotov AA, aa. (napr. kvety nocovky - dominantný homozygot AA má červené kvety, recesívny homozygot aa má biele a heterozygot Aa má ružové kvety).
- Kodominancia - zvláštny typ neúplnej dominancie, keď sa pri heterozygotovi fenotypovo prejavujú obe alely. Pojmy dominancia, recesivita, kodominancia vyjadrujú vzťahy medzi alelami. Pr.: dedičnosť krvných skupín systému AB0 - gén je zodpovedný za realizáciu krvných skupín, má 3 alely: IA IB i. Genotypy ľudí s KS: AB - IA IB - nazýva sa aj kodominantný ( rovnako dominantný); 0 - ii - recesívny homozygot; A - IA IA aj IAi; B - IB IB aj IB i.
Gonozómová dedičnosť je dedičnosť viazaná na pohlavie. Gonozómy sú pohlavné chromozómy. Ostatné chromozómy sa nazývajú telové, somatické chromozómy - autozómy. Na určení pohlavia sa okrem pohlavných chromozómov podieľa aj ďalšia časť genotypu - maskulinné a femininne faktory. Diploidná somatická bunka obsahuje kompletný súbor autozómov a jeden pár pohlavných chromozómov - napr. AAXX alebo AAXY. O pohlaví dieťaťa sa rozhoduje v čase oplodnenia ženskej pohlavnej bunky: • Chlapec môže získať Y chromozóm vždy len od otca a X chromozóm od matky • Dievča - jeden X chromozóm od otca a druhý X od matky.
Pohlavné chromozómy majú homologické a nehomologické úseky: • Homologické - ak na rovnakých miestach X a Y chromozómu ležia rovnaké gény • Nehomologické - nachádzajú sa na X chromozóme ale na Y chromozóme sa nenachádzajú. Poznáme 2 základné typy chromozomómového určenia pohlavia: • Typ drozofila - cicavčí typ - XX samica XY samec • Typ abraxas - vtáčí typ XX samec XY samica.
Dedičnosť viazaná na X chromozóm: S touto dedičnosťou sú spojené vážne dedičné ochorenia ako napr. hemofília alebo daltonizmus - neschopnosť rozlíšiť červenú a zelenú farbu. V tomto prípade sú ženy často prenášačkami recesívneho génu viazaného na pohlavný X- chromozóm, ktorý sa zriedkavo prejavuje v ich fenotype. (sú heterozygotné). Otec nikdy neodovzdáva genetickú informáciu v X chromozóme synom.
Dedičnosť viazaná na Y chromozóm: Gény sa prenášajú z otca na syna.
Mutácie sú dedičné zmeny, ktoré sa prejavujú ako trvalé a jedinečné zmeny znakov a vlastností organizmu, ktoré sú podmienené zmenami v DNA. Väčšina mutácií poškodzuje svojich nositeľov, má deštrukčný charakter a je nezlučiteľná s normálnymi funkciami organizmu. Časť mutácií je neutrálna, v danom prostredí bez významu a len veľmi nepatrné množstvo mutácií je v daných podmienkach pozitívnych. Všetky mutácie vedú k zmene funkcie génu.
Mutagény - sú zodpovedné za vznik mutácií. Sú to látky alebo faktory, ktoré zvyšujú početnosť mutácií. Rozdeľujú sa do troch skupín: 1. fyzikálne mutagény - rôzne druhy ionizačného a neionizačného žiarenia. 2. chemické mutagény - chemické zlúčeniny. 3. biologické mutagény - niektoré onkogénne vírusy.
Antimutagény: sú látky, ktoré znižujú frekvenciu mutácií. Sú to napr. antioxidanty, medzi ktoré patrí predovšetkým vitamín C a E, karotenoidy, selén.
Rozdelenie mutácií:
- Podľa typu zasiahnutej bunky: • gametické mutácie - sú dedičné • somatické mutácie - nie sú dedičné.
- Podľa veľkosti genetickej informácie, ktorú mutácie postihujú: • génové mutácie - zmeny v molekule DNA • chromozómové mutácie - zmeny v štruktúry a tvaru chromozómov • genómové mutácie - zmeny v počte chromozómov alebo chromozómových sád.
Medicína v súčasnosti pozná asi 2000 dedičných chorôb. Sú to choroby, ktoré sa za zvyčajných životných podmienok s takmer stopercentnou istotou prejavujú u jedincov s určitými charakteristickými odchýlkami genotypu. Dispozície - vrodené predpoklady alebo náchylnosť k určitým ochoreniam. Aby sa ochorenie rozvinulo musia pôsobiť určité faktory prostredia.
V každom kraji pracuje genetické oddelenie krajského ústavu národného zdravia. Ich hlavnou úlohou je genetické poradenstvo, registrácia všetkých dedičných chorôb a lekársko-genetický výskum. Najvýznamnejšia a pomerne samostatná zložka každého oddelenia je genetická poradňa. Lekári- genetici sa musia presne oboznámiť s klinickou a genetickou situáciou príslušného prípadu a na vedeckom základe potom stanoviť genetickú predpoveď (prognózu) - pravdepodobnosť ďalšieho výskytu danej dedičnej choroby alebo chyby. Pri zvýšenom genetickom riziku sa navrhujú možnosti preventívneho opatrenia.