SPIS TREŚCI
1. Budowa i funkcje komórki Renata Fogt-Wyrwas
1.1. Budowa i właściwości błon biologicznych
Modele budowy błony
1.1.2. Transport błonowy substancji drobnocząsteczkowych
1.1.3. Transport makrocząstek i cząstek
Cykl
Podział mitotyczny
Podział mejotyczny
2. Tkanki Wojciech Jarosz
2.1. Tkanka nabłonkowa .
2.1.1. Budowa tkanki nabłonkowej
2.1.2. Klasyfikacja nabłonków .
2.1.3. Funkcje nabłonków
2.1.4. Odnowa i regeneracja komórek tkanki nabłonkowej
Pytania
2.2. Tkanka łączna
2.2.1. Tkanka łączna właściwa
2.2.2. Tkanka łączna galaretowata
2.2.3. Tkanka siateczkowata
2.2.4. Tkanka tłuszczowa
2.2.5. Tkanka chrzęstna
2.2.6. Tkanka kostna
Pytania
2.3. Krew i limfa
2.3.1. Osocze
2.3.2. Erytrocyty
2.3.3. Leukocyty
2.3.4. Trombocyty
2.3.5. Funkcje krwi
2.3.6. Limfa
2.4. Tkanka mięśniowa
2.4.1. Tkanka mięśniowa poprzecznie prążkowana szkieletowa
2.4.2. Tkanka mięśniowa poprzecznie prążkowana sercowa
2.4.3. Tkanka mięśniowa gładka
2.5. Tkanka nerwowa
2.5.1. Budowa komórki nerwowej
2.5.2. Przewodzenie impulsu przez neuron
2.5.3. Synapsa nerwowa
2.5.4. Odruch i łuk odruchowy
2.5.5. Komórki neurogleju
2.5.6. Regeneracja tkanki nerwowej
3. Gruczoły wydzielania wewnętrznego Wojciech Jarosz
3.1. Hormony
3.2. Przysadka mózgowa
3.3. Szyszynka
3.4. Tarczyca
3.5. Przytarczyce
3.6. Nadnercza
3.7. Wyspy trzustkowe
Literatura uzupełniająca
4. Rozmnażanie i rozwój Hanna Mizgajska-Wiktor
4.1. Gonada męska
4.1.1. Budowa jądra
4.1.2. Spermatogeneza
4.1.3. Hormony jądra
4.2. Gonada żeńska
4.2.1. Budowa jajnika
4.2.2. Hormonalna regulacja cyklu jajnikowego
4.3. Rozwój zarodkowy
4.3.1. Zapłodnienie
4.3.2. Bruzdkowanie (blastulacja)
4.3.3. Powstawanie listków zarodkowych – gastrulacja
4.3.4. Organogeneza i histogeneza
4.3.5. Błony płodowe
4.3.6. Łożysko
5. Zmienność i dziedziczność Hanna Mizgajska-Wiktor
5.1. Podstawy genetyki mendlowskiej
5.1.1. Podstawowe pojęcia genetyczne
5.1.2. Prawa Mendla
5.1.3. Reguły mendlowskie
5.2. Współdziałanie genów
5.2.1. Geny polimeryczne (poligeny, geny kumulatywne)
5.2.2. Geny plejotropowe (polifeniczne)
5.2.3. Epistaza
5.2.4. Geny dopełniające się i uzupełniające się
5.2.5. Geny letalne i subletalne
5.3. Krzyżowanie i jego znaczenie
5.3.1. Dziedziczenie grup krwi: A, B, AB, 0
5.3.2. Dziedziczenie czynnika Rh
5.4. Chromosomowa teoria dziedziczenia Morgana
5.4.1. Główne założenia chromosomowej teorii dziedziczenia
5.4.2. Inne osiągnięcia „szkoły morganowskiej”
5.5. Cechy sprzężone z płcią u człowieka
5.5.1. Hemofilia
5.5.2. Daltonizm
5.5.3. Dystrofia mięśniowa Duchenne’a (DMD)
5.6. Cechy związane z płcią .
5.7. Rodzaje zmienności
5.7.1. Zmienność fenotypowa
7.7.2. Zmienność genotypowa
5.8. Rodzaje mutacji
5.8.1. Mutacje genowe
5.8.2. Mutacje (aberracje) chromosomowe strukturalne
5.8.3. Mutacje (aberracje) chromosomowe liczbowe
5.9. Choroby genetyczne wieloczynnikowe
5.10. Choroby mitochondrialne
5.11. Wady rozwojowe i czynniki teratogenne
5.12. Podstawy genetyki populacji
6. Wybrane zagadnienia z genetyki molekularnej
Wstęp Hanna Mizgajska-Wiktor
6.1. Genom człowieka Renata Fogt-Wyrwas
6.2. Budowa genu Renata Fogt-Wyrwas
6.3. Regulacja ekspresji genów Renata Fogt-Wyrwas
6.3.1. Ekspresja genów u Procaryota
6.3.2. Ekspresja genów u człowieka
6.4. Epigenetyka Hanna Mizgajska-Wiktor
6.4.1. Biochemiczny mechanizm epigenezy
6.4.2. Znaczenie zmian epigenetycznych
6.5. Transgeneza Hanna Mizgajska-Wiktor
6.5.1. Rośliny transgeniczne
6.5.2. Zwierzęta transgeniczne
6.5.3. Klonowanie organizmów
6.6. Nauki „omiczne” Hanna Mizgajska-Wiktor
6.6.1. Genomika
6.6.2. Transkryptomika
6.6.3. Proteomika
6.6.4. Metabolomika
6.7. Podstawowe metody badania DNA Renata Fogt-Wyrwas
6.7.1. Pobieranie i przechowywanie materiału biologicznego
6.7.2. Izolacja DNA
6.7.3. Elektroforeza
6.7.4. Reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR)
6.7.5. Enzymy restrykcyjne
6.7.6. Klonowanie DNA
6.7.7. Sekwencjonowanie
6.7.8. Techniki wysokoprzepustowe
6.8. Bioinformatyka Renata Fogt-Wyrwas
Literatura uzupełniająca
Źródła ilustracji i tabel
Tabela 2.10. Charakterystyka wybranych neuroprzekaźników
Charakter chemicznyNazwaDziałanie synaps
Estryacetylocholinapobudzające
Aminy biogennenoradrenalina dopamina serotonina pobudzające hamujące pobudzające
Aminokwasykwas γ-aminomasłowy (GABA) glicyna kwas glutaminowy hamujące hamujące pobudzające
Peptydyopioidowe (endorfiny, enkefaliny)hamujące
NukleotydyATP, GTPpobudzające
Gazytlenek azotu (NO)pobudzające
szczelina synaptyczna
impuls nerwowy
pęcherzyki synaptyczne z neuroprzekaźnikiem
receptory w błonie postsynaptycznej błona presynaptyczna błona postsynaptyczna
wydzielanie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej
Ryc. 2.45. Budowa synapsy chemicznej. Synapsa składa się z kolbek: presynaptycznej i postsynaptycznej. Do szczeliny synaptycznej uwalniany jest z kolbki presynaptycznej neuroprzekaźnik, który wiąże się ze swoistymi receptorami w błonie postsynaptycznej. Następuje zamiana impulsu chemicznego na elektryczny (neuroprzekaźniki pobudzające) lub zatrzymanie impulsu (neuroprzekaźniki hamujące)
Synapsy elektryczne bezpośrednio przenoszą potencjał czynnościowy (falę depolaryzacyjną) z jednego neuronu na kolejny. Jest to możliwe dzięki dużemu zbliżeniu błon synaptycznych – szczelina synaptyczna ma szerokość zaledwie 2 nm. W układzie nerwowym tego typu synaps jest zdecydowanie mniej niż synaps chemicznych. Synapsy elektryczne występujące w innych tkankach nazywa się połączeniami typu neksus.
Choroby związane z zaburzeniami struktury i funkcji neuronów częściej występują w wieku podeszłym. Na przykład choroba Parkinsona spowodowana jest narastającą utratą neuronów produkujących dopaminę, co utrudnia przewodnictwo nerwowo-mięśniowe i wpływa negatywnie na aktywność mięśni szkieletowych. Natomiast choroba Alzheimera jest typem demencji wynikającej z zaburzeń czynnościowych mózgu, które wiążą się z występowaniem w neuronach splątków neurofibrylarnych (skupiska białka tau) oraz płytek starczych, które zewnątrzkomórkowo lokują się w postaci agregatów białka beta-amyloidu.
2.5.4. Odruch i łuk odruchowy
Reakcją automatyczną na bodziec jest odruch, a drogę, jaką przebywa impuls nerwowy od miejsca odbioru bodźca do narządu wykonawczego, nazywa się łukiem odruchowym (ryc. 2.46). Swoistym „czujnikiem” odbierającym bodziec jest receptor, w którym bodziec ten jest przetwarzany na impuls nerwowy. Poprzez dośrodkową drogę doprowadzającą jest on przesyłany do ośrodka nerwowego umiejscowionego w rdzeniu kręgowym lub mózgu (ośrodkowy układ nerwowy – OUN). Drogę tę nazywa się czuciową lub inaczej aferentną, a komórkę, która ten impuls odbiera i przewodzi – neuronem czuciowym (aferentnym). Jej perykarion leży poza OUN. W obrębie ośrodkowego układu nerwowego impuls jest przekazywany bezpośrednio na neuron ruchowy (odruch monosynaptyczny) lub za pośrednictwem jednego bądź większej liczby neuronów pośredniczących (odruch bi- lub polisynaptyczny). Następnie poprzez neuron ruchowy (eferentny) impuls biegnie do efektora, którym najczęściej są mięśnie lub gruczoły. Przykładem najprostszego odruchu, który jest wyzwalany poprzez monosynaptyczny łuk odruchowy, jest odruch kolanowy (jeden z odruchów na rozciąganie). Dzięki łukom odruchowym w szybkim tempie mogą zachodzić proste reakcje na bodźce zagrażające zdrowiu lub życiu, jak np. cofanie ręki po dotknięciu ostrego lub gorącego przedmiotu.
Odruch jest automatyczną i powtarzalną reakcją na bodziec zachodzącą z udziałem ośrodkowego układu nerwowego (łuk odruchowy). Wyróżnia się dwa rodzaje odruchów: bezwarunkowe i warunkowe.
Odruchy bezwarunkowe są to reakcje wrodzone – przekazywane dziedzicznie, w związku z tym charakterystyczne dla osobników danego gatunku. U ssaków impuls nerwowy dociera do niższych pięter ośrodkowego układu nerwowego – często
147 2.5. Tkanka nerwowa
Około 1/3 Polaków ma grupę krwi A. Zasadniczo grupy krwi nie zmieniają się w ciągu życia, jednakże może się to zdarzyć np. po przeszczepie szpiku kostnego (biorca wytwarza wówczas krew z antygenami dawcy) lub w przypadku choroby nowotworowej krwi, gdy dojdzie do zaburzenia wytwarzania antygenów na powierzchni erytrocytów.
5.3.2. Dziedziczenie czynnika Rh
Dziedziczenie grup krwi wiąże się nie tylko z obecnością antygenów A i B, lecz także zespołu kilku innych antygenów zwanych czynnikiem Rh (wśród tych antygenów najczęściej występuje antygen D). Jego nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy małpy rezus (Rhesus), u której po raz pierwszy stwierdzono ten czynnik. Około 85% populacji ludzkiej na powierzchni erytrocytów ma antygen czynnika Rh. Osoby, które go mają, nazwano Rh+, a te, które go nie mają – Rh–. Występowanie aglutynogenu Rh jest uwarunkowane genem dominującym R, natomiast brak tego antygenu jest spowodowany obecnością genu recesywnego r. Gen R wykazuje więc pełną ekspresję zarówno w stanie homozygotycznym (RR), jak i heterozygotycznym (Rr). Osoby nie mające antygenu Rh (15% populacji) mają genotyp rr. Czynnik Rh jest dziedziczony w sposób prosty, mendlowski, niezależnie od czterech podstawowych grup krwi A, B, AB, 0. Gen R odpowiedzialny za występowanie antygenu Rh odgrywa ważną rolę w życiu płodu, może być bowiem przyczyną konfliktu serologicznego między matką a rozwijającym się w jej łonie dzieckiem. Ma to miejsce wówczas, gdy matka jest Rh– (rr), a dziecko odziedziczy po ojcu Rh+ (RR lub Rr). Choć dla krwinek łożysko zasadniczo nie jest przepuszczalne, to w późnym okresie ciąży lub podczas porodu niewielka ilość krwinek dziecka może się przedostać do krwiobiegu matki (ryc. 5.3). W takiej sytuacji antygeny obecne na powierzchni erytrocytów dziecka indukują wytwarzanie przez limfocyty matki przeciwciała anty-Rh, które jako drobne białka mogą swobodnie przechodzić przez łożysko. W czasie kolejnej ciąży „konfliktowej” przenikające przez łożysko przeciwciała łączą się z antygenami erytrocytów płodu, doprowadzając do ich aglutynacji. Erytrocyty się rozpadają, a zawarta w nich hemoglobina rozpuszcza się w osoczu i w tej postaci dociera do licznych narządów, które uszkadza. Dodatkowo dochodzi do anemii hemolitycznej. Konsekwencją tych zmian może być nawet obumarcie płodu.
Antygeny krwinkowe: anty-A, anty-B oraz Rh są zlokalizowane na powierzchni erytrocytów. Jednakże układ grupowy AB0 dziedziczy się niezależnie od układu grupowego Rh.
223 5.3. Krzyżowanie i jego znaczenie
erytrocyty
przeciwciała
erytrocyty
pierwsza ciążatworzenie się przeciwciałkolejna ciąża
Ryc. 5.3. Konflikt serologiczny na tle czynnika Rh. Konflikt zachodzi tylko wówczas, gdy kobieta jest homozygotą w genie recesywnym (rr), który zapewnia brak czynnika Rh, a jej dziecko odziedziczy po ojcu gen (R) warunkujący obecność tego czynnika. W pierwszej ciąży do konfliktu dochodzi tylko wówczas, gdy łożysko jest nieszczelne i erytrocyty płodu swobodnie przenikają do organizmu matki. W kolejnych konfliktowych ciążach, nawet przy szczelnym łożysku przeciwciała są już obecne w organizmie matki (powstały podczas wcześniejszego krwawego porodu). Jako drobne białka penetrują łożysko i wywołują aglutynację krwinek dziecka
Pytania
1. Na czym polega krzyżowanie?
2. Jakie są zalety krzyżowania niekrewniaczego, a jakie są wady krzyżowania wsobnego?
3. Zdefiniuj allele wielokrotne i omów je na przykładzie grup krwi; ile alleli wyznacza 4 grupy krwi człowieka: A, B, AB, 0?
4. Jaką informację zawierają geny odpowiedzialne za grupy krwi i jaka jest wzajemna siła tych genów?
5. Jakie są osobnicze konsekwencje niezgodności grup krwi?
6. Wyjaśnij pojęcia: antygen, przeciwciało.
7. Omów czynnik Rh i jego dziedziczenie; na czym polega konflikt serologiczny między matką a płodem na tle tego czynnika?
5.4. Chromosomowa teoria dziedziczenia Morgana
Łączność mendelizmu z cytologią wykazał na początku XX w. Thomas H. Morgan (amerykański zoolog). Jako pierwszy dowiódł, że chromosomy widoczne w jądrze komórkowym są nośnikami genów. Zaobserwował zjawisko rekombinacji materiału genetycznego w procesie crossing-over, czyli wymianę fragmentów chromatyd w chromo-
Sekwencjonowanie metodą enzymatyczną Sangera zwaną dideoksy
Metoda ta polega na enzymatycznej replikacji jednoniciowej (zdenaturowanej) matrycy DNA. Proces ten rozpoczyna się od przyłączenia odcinka starterowego dla polimerazy, a kończy się wbudowaniem znakowanego fluorescencyjnie dideoksynukleotydu (ddNTP). ddNTP jest zmodyfikowanym nukleotydem, który przy 3 węglu pentozy zamiast grupy hydroksylowej (występującej w każdym deoksynukleotydzie) posiada wodór. Grupa hydroksylowa jest niezbędna do utworzenia wiązania fosfodiestrowego podczas syntezy DNA. Przyłączenie ddNTP do syntetyzowanego łańcucha przerywa syntezę DNA. Reakcję sekwencjonowania prowadzi się w 4 oddzielnych probówkach, które zawierają tę samą matrycę DNA oraz wszystkie składniki reakcji PCR (polimeraza DNA, dNTP, odcinek starterowy). Dodatkowo w każdej probówce znajduje się inny dideoksynukleotyd (ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP). Podczas syntezy polimeraza DNA nie odróżnia deoksynukleotytu od dideoksynykleotydu, dlatego to, który z nich zostanie przyłączony jest całkowicie przypadkowe. Jeżeli podczas reakcji przyłączy się deoksynukleotyd, polimeraza dalej prowadzi syntezę, jeżeli przyłączony zostanie ddNTP dalsza synteza łańcucha zostaje przerwana. Po zakończonej reakcji, w każdej probówce znajdują się nowe fragmenty DNA różniące się długością, ale zakończone tym samym nukleotydem (w probówce z ddATP wszystkie fragmenty będą zakończone A, w probówce z ddCTP wszystkie będą zakończone C itd.) Zdenaturowane produkty rozdziela się elektroforetycznie (ryc. 6.16) w 4 oddzielnych ścieżkach żelu poliakryloamidowego. Automatyczny odczyt sekwencji DNA polega na detekcji światła emitowanego przez fluorochrom obecnego w ddNTP.
Pirosekwencjonowanie
Jest metodą sekwencjonowania DNA w czasie rzeczywistym. Przeprowadza się je w odpowiednim sekwenatorze. W metodzie tej wykorzystuje się jednoczesne działanie 4 enzymów – polimerazy DNA, sulfurylazy, lucyferazy i aspirazy. Główną zasadą tej techniki jest wykorzystanie pirofosforanu uwalnianego podczas syntezy DNA. W czasie reakcji dochodzi do emisji światła, którego intensywność zależy od ilości uwalnianego pirofosforanu, a tym samym liczby wbudowanych nukleotydów. Analiza zachodzi w ciągu kilkunastu minut, a w jednej reakcji możliwa jest jednoczesna analiza kilku polimorfizmów (lub mutacji) położonych blisko siebie.
Pirosekwencjonowanie wykorzystuje się najczęściej do genotypowania poznanych polimorfizmów.
6.7.8. Techniki wysokoprzepustowe
Metoda Sangera, chociaż powszechnie używana, ma istotne ograniczenie, a mianowicie ma niską przepustowość. Rosnące zapotrzebowanie na analizę sekwencji DNA
ATACGAGG
fragment
Ryc. 6.16. Sekwencjonowanie. Analizowane próby są poddane reakcji PCR z dideoksynukleotydami. Po zakończeniu reakcji, próby nakładane są na żel poliakryloamidowy, w którym dochodzi do rozdziału fragmentów DNA. Sekwenator odczytuje dideoksynukleotyd, który został wbudowany jako ostatni nukleotyd w DNA. Najwolniej migruje najdłuższy fragment DNA, w którym ostatnim nukleotydem jest T (ostatni w sekwencji). Kolejny fragment DNA na żelu jest o jeden nukleotyd krótszy (bez T), a sekwenator odczytuje ostatni w nim wbudowany nukleotyd (A). Tworzy się sekwencja TA. Następny fragment DNA będzie krótszy o kolejny nukleotyd, a ostatnim wbudowanym w nim ddNTP jest C (TAC) itd.
doprowadziło do opracowania kilku wysokoprzepustowych technologii określanych wspólnym terminem: sekwencjonowanie nowej generacji (NGS, ang. next generation sequencing). Obecnie coraz częściej nazywa się je także, masowe równoległe sekwencjonowanie (MPS, ang. massively parallel sequencing).
Sekwencjonowanie nowej generacji daje możliwość odczytu jednocześnie milionów fragmentów DNA, dlatego technologie takie nazywane są technikami wysokoprzepustowymi. Zaletami tej technologii, w porównaniu z tradycyjnymi technikami sekwencjonowania są: wzrost wydajności, krótki czas trwania, duża przepustowość, redukcja kosztów oraz wysoka precyzja. Do wykonania NGS wykorzystuje się komercyjne platformy jak np. Illumina, Roche454, SOLiD, IonTorrent, Pacific Biosciences, LiFe Technologies, Oxford Nanopore Technologies czy BGI/MGI. Producenci zapewniają
DNA