Genetika populací, Ekologie, Viry
Mgr. Hříbková Hana Biologický ústav LF MU Kamenice 5, Brno 625 00
[email protected]
Genetika populací – základní terminologie Populace = soubor jedinců stejného biologického druhu, žijících v určité geografické oblasti, jedinci se vzájemně kříží a mají plodné potomstvo Všichni jedinci téže populace se podílejí na společném genofondu populace, který tvoří zásobárnu genů (alel) pro vznik dalších generací. Každá populace je z generace na generaci zákonitě geneticky strukturována, závisí na způsobu rozmnožování: - populace autogametické – hermafrodité; samooplození, samosprášení u rostlin – během generací dochází k homogenizaci populace, nastává změna genotypových frekvencí, převládají homozygoti nad heterozygoty - populace alogametické – gonochoristé; inbreeding (homogenizace populace), outbreeding (heterogenita populace se zvyšuje), panmixie (genetická struktura populace se nemění) Genetická struktura populace je určena alelovými a genotypovými frekvencemi Alelová frekvence = relativní četnost určité alely v dané populaci Genotypová frekvence = relativní četnost určitého genotypu v populaci Genetika populací – studium dědičnosti, stálosti, proměnlivosti genového fondu populace, jak se do genového fondu populace promítají genetické procesy na úrovni jedinců – genetika populací kvalitativních znaků – genetika populací kvantitativních znaků
Genetika populací Hardy-Weinbergova rovnováha HW zákon vyjadřuje vztah mezi četnostmi genotypů v populaci za podmínek:
1. 2.
populace má dostatečnou velikost populace je panmiktická (náhodné křížení jedinců populace) –
Godfrey Hardy
–
(1877-1947), anglický matematik
Wilhelm Weinberg (1862-1937), německý lékař
každý jedinec má stejnou pravděpodobnost, že vytvoří potomka s kterýmkoli jedincem druhého pohlaví téže populace při panmixii se genetická struktura populace v jednotlivých generacích nemění – populační genetická rovnováha
3. 4. 5.
neprobíhá selekce nevznikají mutace nedochází k migraci (vnášení alel nového typu do genového fondu populace prostřednictvím jedinců jiných populací)
•
při dodržení podmínek pro HW, dojde u autosomálních alel hned v následující generaci k binomickému rozložení četností alel do genotypů
Genetika populací Hardy-Weinbergova rovnováha • při panmixii se genetická struktura populace v jednotlivých generacích nemění • HW vyjadřuje vztah mezi četnostmi genotypů v populaci autosomální gen zastoupený alelami A, a
p2 + 2pq + q2 = 1 p+q=1 p=1–q
p2 = (AA) = frekvence dominantních homozygotů q2 = (aa) = frekvence recesivních homozygotů 2pq =(Aa) = frekvence heterozygotů p = frekvence alely A
q=1–p
q = frekvence alely a
Hardy-Weinbergova rovnováha ODVOZENÍ autosomální gen zastoupený alelami A, a
1.generace: Fenotypy: Genotypy: Počet jedinců: (celkem: 500) Genotypové frekvence: Počet alel v genofondu: (celkem: 1000) Alelové frekvence:
p2 + 2pq + q2 = 1 p+q=1
AA 320
Aa 160
aa 20
320:500 = 0,64
160:500 = 0,32
20:500 = 0,04
640 A
160 A + 160 a 800 : 1000 = 0,8 A
40 a
200: 1000 = 0,2 a
Hardy-Weinbergova rovnováha ODVOZENÍ autosomální gen zastoupený alelami A, a
Tvorba gamet v první generaci:
Spermie: A (p = 0,8) a (q = 0,2)
Vajíčka: A (p = 0,8)
a (q = 0,2):
AA p2 = 0,64
Aa pq = 0,16
aA qp = 0,16
aa q2 = 0,04
2. generace: Genotypové frekvence: 0,64 AA Alelové frekvence:
p2 + 2pq + q2 = 1 p+q=1
0,32Aa 0,8 A
0,04aa 0,2 a
Ekologie Biologická věda, která se zabývá vztahem organismů a jejich prostředí (1866, Ernst Haeckel). V širokém smyslu jako ochrana životního prostředí, které je tvořeno souborem ekologických podmínek (abiotické a biotické faktory).
Biocenóza = společenstvo • Soubor jedinců populací různých druhů, žijících na určitém stanovišti (biotopu) s obdobnými nároky na (abiotické) prostředí. • zoocenóza (společenstvo živočichů) • fytocenóza (společenstvo rostlin) • společenstvo mikroorganismů • různá velikost biocenóz • struktura společenstva – mezidruhové vztahy mezi jednotlivými populacemi: – prospěšné (symbióza) - neutrální - nevýhodné (parazitismus, predace)
Biotop, Nika • Biotop = stanoviště - soubor všech biotických i abiotických podmínek, vytvářející prostředí organismu, populace, společenstva. • Ekologická nika - zahrnuje nároky populace určitého druhu v ekosystému v závislosti na ekologických faktorech (abiotických, biotických). – Prostorová nika – nároky druhu na prostor (prostor, který určitý druh v ekosystému zaujímá) – Př.: Mlži (datlovky) obývají úzký úsek skalnatého pobřeží pravidelně zaplavovaný příbojem a samy podklad narušují. – Potravní nika – nároky druhu na potravu
Ekosystém • Dynamický systém tvořený živými společenstvy a abiotickým prostředím. • Biotické a abiotické složky ekosystému vytvářejí složité vzájemné vztahy a navzájem se ovlivňují. • různé velikosti ekosystémů (rašeliniště, tropický deštný les, jezero, umělý ekosystém – město) • Biosféra Země - hierarchicky nejvyšší (světový) ekosystém – je část planety Země, kde se vyskytují formy života, zahrnuje část atmosféry (přibližně do výšky 18 km v oblasti tropů a 10 km v polárních oblastech), hydrosféru a povrch litosféry (do desítek metrů pod povrchem půdy)
Biom Biom představuje dílčí oblast biosféry, charakterizovanou určitým typem biotických a abiotických podmínek Vodní biomy - biom volného oceánu, biom šelfových moří Pevninské biomy Hylaea - tropické deštné lesy Skleraea - tropické a subtropické suché lesy a Lesosavany Silvaea - opadavé a smíšené lesy mírného pásu Tajga - severské a horské jehličnaté lesy Tundra Stepi Pouště a polopouště Litoraea - trvale nebo dočasně zaplavená území
Ekosystém • Základními funkcemi ekosystému je koloběh látek (tzv. biogeochemické cykly) a tok energie. • Složky ekosystému podílející se na přeměnách energie a hmoty: – Prostředí – soubor všech abiotických faktorů (sluneční energie, fyzikální a chemické vlastnosti ovzduší, vody a půdy) – Producenti – autotrofní organismy, tvoří organické látky z látek anorganických v procesu fotosyntézy zelených rostlin – Konzumenti – heterotrofní organismy (herbivorní, karnivorní, mixotrofní – masožr.rostliny), závislé na produktech autotrofních organismů – Dekompozitoři – saprofytické mikroorganismy – využívá živiny z odumřelých organismů
Ekosystém – biogeochemické cykly • •
•
• •
Koloběh vody – výměna vody mezi zemským povrchem a atmosférou, hybnou silou je sluneční záření Koloběh uhlíku – zdrojem uhlíku je CO2 v ovzduší Země, z atmosféry je CO2 pohlcován zelenými rostlinami při fotosyntéze – CO2 uniká do ovzduší při dýchání organismů, rozkladem mrtvé hmoty, při zvětrávání vápenců – ke zvyšování CO2 v atmosféře dochází při spalování fosilních paliv (uhlí, nafty) Koloběh dusíku - zdrojem je N2 v atmosféře – jen některé organismy jsou schopny vázat volný vzdušný dusík – půdní bakterie, při rozkladu mrtvé hmoty uvolňují půdní nitrifikační bakterie anorganické formy dusíku, které mohou přijímat rostliny – půdní denitrifikační bakterie rozkládají nitrátový dusík na plynný N2, který se uvolňuje do ovzduší – obsah dusíkatých látek v atmosféře zvyšován sopečnou činností, v půdě a povrchové vodě hnojením Koloběh fosforu – zdrojem hlavní vrstvy litosféry, rostliny přijímají fosfor z rozpuštěných fosfátů, živočichové potravními řetězci a po jejich uhynutí se fosfor dostává zpět do půdy či vodního prostředí Koloběh kyslíku – zdroj kyslíku v atmosféře, z atmosféry proniká do půdy i vody, tvořen v průběhu fotosyntézy autotrofních organismů – spotřebovává se dýcháním a rozkladem odumřelých organismů, dále při spalování fosilních paliv – v horních vrstvách atmosféry vznikla vrstva ozonu O3, která chrání před účinkem ultrafialového záření
Ekosystém – koloběh látek a tok energie •
Fotosyntéza (fotosyntetická asimilace) je biochemický proces, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb. – Z jednoduchých anorganických látek (oxidu uhličitého a vody), za účasti slunečního záření a tepla, dochází k syntéze energeticky bohatých organických sloučenin (cukry) a k uvolnění kyslíku. – 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 – probíhá především v chloroplastech zelených rostlin, autotrofní způsob výživy
•
Průběh fotosyntézy: – ve světelné fázi barevné pigmenty na thylakoidní membráně chloroplastů pohlcují světlo, z něhož získávají energii pro následné děje, dochází k rozkladu vody a uvolnění kyslíku, který pak využívají i jiné organismy k dýchání – biochemické děje v temnostní fázi probíhají ve stromatu chloroplastů, ukládají chemickou energii získanou ve světelné fázi (ve formě NADPH a ATP) fixací CO2 do sacharidů, které dále slouží buď jako zásobárna a zdroj energie, nebo jako stavební složky pro tvorbu složitějších molekul (polysacharidů, aj.)
Ekosystém – koloběh látek a tok energie
Fotosyntéza – světelná fáze – na thylakoidní membráně chloroplastů; temnostní fáze probíhá ve stromatu chloroplastů
Ekosystém – tok látek a energie Trofické skupiny Zdroj energie
Zdroj redukčních ekvivalentů
Zdroj uhlíku
Název
Organický -heterotrof
fotoorganoheterotrof
Oxid uhličitý -autotrof
fotoorganoautotrof
Organický -heterotrof
fotolithoheterotrof
Oxid uhličitý -autotrof
fotolithoautotrof
Organický -heterotrof
Chemoorganoheterotrof
Oxid uhličitý -autotrof
Chemoorganoautotrof
Organický -heterotrof
Chemolithoheterotrof
Oxid uhličitý -autotrof
Chemolithoautotrof
Organický -organoSvětlo FotoAnorganický -litho-
Organický -organoChemické sloučeniny ChemoAnorganický -litho-
Způsob získávání energie u organismů autotrofie • heterotrofie • mixotrofie • fototrofie • chemotrofie • litotrofie • organotrofie
Vliv člověka na životní prostředí • Odlesňování a eroze půdy • Znečištění ovzduší - oxidy síry, uhlíku; dusík, karcinogenní látky, toxické kovy – skleníkový efekt – vyvolán zvýšenou koncentrací CO2 (+H20) – při mírném zvýšení CO2 v atmosféře se intenzita fotosyntézy zvyšuje
• Znečištění půdy – odpady, hnojení, postřiky; karcinogenní látky, těžké kovy • Znečištění vody – toxické látky, oleje, těžké kovy – zvýšení nutričních prvků (N, C, P apod.z hnojiv) ve vodě navozuje zvýšený výskyt organismů využívajících tyto prvky (bakterie, sinice, řasy) = eutrofizace vody
• Radioaktivní zamořování biosféry – jaderné výbuchy – vznik nukleotidů uranu – radioaktivní cesium a hlavně stroncium 90 Sr (rozpadem uranu), se hromadí s přijímanou potravou v organismech, čím vyšší stupeň potravního řetězce (konsumenti, predátoři), tím větší kumulace → radiace
• Změny životního prostředí – porušení přirozené rovnováhy • Pozn: Ke znečištění přírody přispívají plastové odpady, které neumíme ekologicky likvidovat.
Nebuněčné živé soustavy - viry
Viry • • • • •
nebuněčné živé organismy velikost cca 20 – 190 nm (izometrické viry), anizometrické viry – stovky nm nesplňují všechny podmínky pro buněčné živé soustavy (viz níže) vnitrobuněční paraziti reprodukci viru zajišťuje hostitelská buňka – genom viru, obsažený v nukleové kyselině, se replikuje za pomoci enzymatického aparátu hostitelské buňky – buněčných ribozomů využívají viry k výrobě virových proteinů
• Základní charakteristiky buněčných živých soustav: – – – – – – –
buněčná podstata NK, proteiny, polysacharidy organizovanost otevřené soustavy – tok látek, energie, informací autoregulace metabolismus včetně syntézy NK a proteinů autoreprodukce, atd.
Struktura virů • virion – kompletní jednotlivá částice viru, schopná infikovat hostitelskou buňku
Neobalený virus
– genom – NK – RNA nebo DNA – kapsid - proteinový plášť, složen z kapsomer – identické bílkovinné podjednotky kapsidu - autoagregací tvoří kvartérní strukturu kapsidu • helikální symetrie kapsidu (šroubovitá) • ikozaedrální symetrie kapsidu (dvacetistěn)
• nukleokapsid – komplex virové NK a jejího kapsidu
Obalený virus
Struktura virů • neobalené viry • obalené viry - kapsidy jsou obaleny do modifikované formy jedné z buněčných membrán získaných z hostitelské buňky (většinou cytoplazmatická nebo jaderná membrána) – v obalu zastoupeny glykoproteiny (např.hemaglutinin, neuraminidázy)
Rozdělení virů dle hostitele – – – – –
bakteriofágy - viry bakterií (DNA-fágy, RNA-fágy) cyanofágy – viry sinic mykofágy – viry kvasinek rostlinné viry živočišné viry - viry bezobratlých a viry obratlovců
Rozdělení virů dle NK • DNA viry • RNA viry • Viry s reverzní transkriptázou – enzym přepisující genetickou informaci z RNA do DNA molekuly
Reprodukční cyklus virů – Vazba virionu (adsorpce) na povrch buňky přes specifické receptory – Proniknutí (penetrace) do buňky – Uvolnění NK z kapsidu – Replikace virové NK – Syntéza virových bílkovin – Zrání (maturace) virionů – Uvolnění virionů z buňky, exocytózou získán obal u obalených virů – fáze eklipsy – doba od proniknutí viru až do počátku syntézy nových virionů
Virové infekce Latentní infekce – bez replikace virového genomu, bez škodlivých důsledků pro hostitelskou buňku Začlenění virového genomu do genomu hostitelské buňky – tzv.provirus (virogenie) • u bakteriofágů- tzv.profág (lyzogenie, lyzogenní cyklus viru) • provirus ovlivňuje funkce hostitelské buňky – transformace hostitelské buňky (např.nádorová)
Lytická infekce – vedoucí k lýze hostitelské buňky - lytický cyklus viru Nelytická infekce – hostitelská buňka se po uvolnění virionů uzdraví
Rozmnožování virů
Bakteriofágy (fágy) • • •
stavba – hlavička, krček, pochva bičíku, bazální ploténka, bičíková vlákna lyzogenie – profág - lyzogenní cyklus lytický cyklus
Lyzogenní a lytický cyklus viru
Viry a onemocnění • Antibiotika neúč činkují
• Vakcinace • Aplikace látky s obecným protivirovým účinkem - interferony • Antivirotika - blokování receptorů pro viry na cílových buňkách nebo inhibice syntézy DNA či RNA viru: •Acyklovir nebo zidovudin - léčba HIV •amatidin nebo rimantidin - léčba chřipky • aplikace při herpesvirových nemocech a hepatitidě B a C
Antivirotika
Mezi nejvýznamnější virová onemocnění člověka patří: • AIDS (HIV virus) • Hepatitida (Hepatitis virus A, B, C, D, E) • Gastroenteritida • Hemoragické horečky (virus Ebola, Marburg, …) • Hantavirový plicní syndrom (Hantavirus „Sin nombre“) • Chřipka (Influenza virus) • Pravé neštovice (Variola virus) • Plané neštovice (Varicella zoster virus = Herpesvirus HHV-3)
• Klíšťová encefalitida (viry čeledi Flaviridae) • Infekční mononukleóza (cytomegalovirus, virus Epstein Barr) • Lidské papilomavirové infekce (HPV viry) • Příušnice (Rubeolavirus) • Opary (Herpes simplex virus) • Dětská obrna (Poliovirus) • Spalničky (Paramyxovir) • SARS (těžký akutní respirační syndrom, druh Coronaviru) • Zarděnky (Rubella virus)
Influenza virus (virus chřipky) • • •
• •
• •
Genom: ssRNA Čeleď: Orthomyxoviridae Onemocnění: horečka, záněty dýchacích cest, svalová bolest, gastroenteritis (=krvavé průjmy), zápal plic Léčba: vakcinace, inhibitory neuraminidázy Influenzavirus A (ptačí a savčí) – nejvirulentnější - označení dle „H“ (hemaglutinin) a „N“ (neuraminidase) - oba tyto velké glykoproteiny se nachází na vnější straně virové částice, pandemie - např. H1N1 Španělská chřipka, 1918-1919 Influenzavirus B (lidský, lachtaní) běžné epidemie Influenzavirus C (lidský) - lokální epidemie (méně virulentní)
HIV-1 • • • • •
Genom: dva řetězce ssRNA, 9genů, reverzní transkriptáza a integráza Čeleď: Retroviridae (rod Lentiviry) Infekce především Th-lymfocytů (buněčná imunita), provirus Přenos: krví, pohlavním stykem, infekce dítěte během porodu Onemocnění: AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome), – – –
•
Léčba: analoga nukleosidů, inhibitory reverzní transkriptázy –
•
primární infekce virem HIV – jen u 20% pacientů symptomy podobné chřipce, bez tvorby protilátek proti viru asymptomatická latentní fáze – tvorba i možná detekce protilátek proti viru, pokles Th-lymfocytů, inkubační doba až 10let symptomatická fáze – propuknutí AIDS, pokles Th i Tclymfocytů, snížení imunity, vzestup počtu virionů v krvi – silně virulentní
virostatika - lék Viread, objeven v laboratoři dr. Antonína Holého v Ústavu Organické Chemie a Biochemie AV ČR
Virus HIV-1 – izolovaný 1983 ve střední Africe (Virus HIV-2 – izolovaný 1986 v západní Africe; genomy dvou druhů viru HIV jsou identické jen z 50%)
Životní cyklus retroviru
SARS • •
Genom: ssRNA Čeleď: Coronaviridae
•
Onemocnění: SARS - Severe Acute Respiratory Syndrome, či také Syndrom Akutního Respiračního Selhání, virové onemocnění dýchacích cest, zápal plic, inkubační doba činí 2–10 dní
•
Přenos: kapénkovou infekcí
•
Léčba: antivirotikum ribavirin
Ostatní nebuněčné infekční částice – viroidy, virusoidy, priony
Viroidy • Objev v roce 1971. • Rostlinné patogeny skládající se z velmi krátké kruhové jednořetězcové RNA (250-400 nukleotidů), bez proteinového obalu typického pro viry. • Viroidová RNA neobsahuje sekvenci kódující známý protein a nemá funkci mRNA. • Viroidy se replikují a ukládají v jádru infikované buňky. • Infikované rostliny mohou vykazovat deformace růstu, zakrslost, epinastie, žluté skvrny na listech, … • Popsáno cca 20druhů viroidů. • Viroidy jsou obvykle přenášeny semeny a pilem. • Příklady infikovaných rostlin – brambory, rajčata, chmel, citrusy, avokáda,….
Virusoidy=satelity • Objev v roce 1981. • Krátké sekvence 300-1500 nukleotidů (ssRNA, dsRNA, ssDNA, dsDNA), kružnicová forma, uzavřené v kapsidech některých virů vedle jejich NK. • Na rozdíl od viroidů se však virusoidy nemohou replikovat nezávisle, nýbrž vyžadují pomocný virus, na kterém parazitují. • Vlastní geny virusoidů kódují proteiny, které se podílejí na patogenitě pomocného viru. • Virusoidy se také nazývají satelitní RNA či satelity rostlinných RNA virů. • Podobně jako viroidy nekódují žádný protein. • Příkladem virusoidu - satelitní RNA nekrózy tabáku či M-satelity kvasinek (4 typy, kódující různé varianty smrtícího toxinu pro jiné kmeny kvasinek).
Priony • Prion – specifický infekční protein, jde o vadnou forma normálního proteinu PrPC, který je kódovaný strukturním genem hostitelského organismu • normální prionový protein PrPC - povrchový membránový glykoprotein v neuronech, leukocytech (gen na 20.chromosomu), konformační změna v infekční isoformu PrPSc - hromadí v buňkách mozku a vyvolává prionové onemocnění • Priony se množí řetězovou reakcí. • Proces přenosu - priony infikovanou potravou. • Rezistentní vůči proteázám, tepelné denaturaci či desinfekčním prostředkům… • U savců priony vyvolávají přenosné spongiformní encefalopatie (TSE). • Prionové choroby – infekční, dědičné, sporadické – Creutzfeldt-Jakobovo onemocnění (CJD, lidé), kuru (lidé) – BSE (skot), Scrapie (ovce, kozy)
Priony
