NÖVÉNYI BIOTECHNOLÓGIA

1. NÖVÉNYI BIOTECHNOLÓGIA Oktató: Kovrig Zoltán E-mail cím: kovrigz@yahoo.com Tel: 0745401393

2. Mi is a biotechnológia? „A biokémiának, a mikrobiológiának és a műszaki tudományoknak az integrált felhasználása, annak érdekében, hogy mikroorganizmusoknak, tenyésztett sejteknek, vagy ezek egyes alkotórészeinek (pl. enzimeknek) valamely képességét ipar termelési célokra alkalmazzuk” - Európai Biotechnológiai Szövetség

3. 1. Klasszikus biotechnológia (biológiai technológia): Olyan gyártási eljárás amelyben valamilyen szervezet (pl. mikroorganizmus) vagy annak alkotó részei (pl: enzimek) egy termék előállítását végzik (műszaki aszpektus) • Gyógyszeripar • Élelmiszeripar • Takarmánytartósítás Főként mikrobiális fermentáció, erjesztés, klasszikus nemesítés

4. 2. Modern biotechnológia: új biotechnológiai eljárások - melyben az ember által meghatározott célból genetikailag módosított élő szervezetek vesznek részt • - mikroorganizmusok • - növényi sejtek • - állati sejtek • - növények • - állatok

5. Géntechnológia: • - egy gént egy élőlényből kiemelünk és átültetjük egy másikba • - nehézsgek: • A gén nem épül be • Nem várt módon nyilvánul meg • Hatás más génekre

6. 3. Növényi biotechnológia: • a növények szaporodásnak (reprodukció biotechnológiái), valamint • genetikai programjának (géntechnológia) megváltoztatását és az így kialakított növényfajták képességeinek technológiai alkalmazását jelenti. • Géntechnológiával módosított, ún. transzgénikus növények: amelyek sejtmagjába (genomjába) a géntechnológia molekuláris módszereivel idegen gént (transzgént) juttatnak be és az integrálódik, működik és öröklődik.

7. Abban különböznek a hagyományos növényektől, hogy a növény minden sejtje sejtmagjában általában egy vagy több transzgént, és citoplazmájában ezekről a génekről szintetizálódott fehérjéket tartalmaz. A növényi biotechnológia tárgya: • A növények örökítő anyaga (DNS) ill. az azt hordozó legkisebb totipotens élő egysége, a növényi sejt -teljes genetikai információkészlete van. Nem ismerünk olyan sejtnél kisebb egységet, amelyből intakt növényt lehetne regenerálni.

8. A növényi biotechnológia célja a növény genetikai információjának módodításával új, gazdaságilag értékes fajták, hibridek előállítása, és új termesztési technológiák kidolgozása. Felhasználás: • Ipar, mezőgazdaság: (kórokozó rezisztencia, mikroszaporítás, klónozás, energiatermeltetés) • Egészségügy (kórokozók kimutatása, gyógyszerhatóanyagok termeltetése) • Környezetvédelem (szennyezőanyagok kimutatása és lebontása, biodegradáció).

9. Egy kis genetika ..... Mi is a genetika? Sokan az öröklődés tudományaként definiálják. A genetika elnevezés a "gén" szóból ered, és a gének képezik a tudományág tárgyát.

10. A genetikát, mint elvek és analitikai eljárások rendszerét az 1860-as években alapította meg a moráviai ágostonrendi szerzetes Gregor Mendel.

11. A génekkel és a genetikai anyaggal kapcsolatosan 3 alapkérdés vetődik fel: 1.) Milyen a gének struktúrája? Hogyan kódolódnak az egyes sajátságok, és a kódolt információtól hogyan jutunk a funkcióhoz? 2.) Hogyan jutnak az egyes gének - és jellegek - tovább a generációk során ilyen pontossággal? 3.) Hogyan vezettek a genetikai anyag megváltozásai a múlt és a jelen biológiai diverzitásához?

12. Eukarióta: • valódi, sejtmaghártyával határolt sejtmaggal rendelkeznek: növények, állatok, gombák

13. Prokarióta: • nincs valódi, maghártyával határolt sejtmag • Vírusok, baktériumok

14. sejtmag • Sejtmagvacska: rRNS szintézis, riboszóma alegységek összekapcsolódása • Sejtmaghártya • Kromoszómák (= kromatin állomány): örökítő anyag citoplazma • Centriolum (sejtközpont): • sejtváz • riboszómák • Durva endoplazmatikus retikulum (DER) • Sima endoplazmatikus retikulum (SER): poliszaharid és lipidanyagcsere • Golgi komplexum: fehérjék módosítása, szétválogatása, szekréciós granulum képzés • Mitokondriumok: sejtlégzés, energiatermelés • Kloroplasztis: fotoszintézis • Lizoszómák: sejten belüli emésztés sejthártya: védelem, anyagforgalom, információcsere, sejtkapcsolódás Sejtfal: védelem Sejten belüli mozgások fehérjeszintézis Az eukarióta sejt felépítése

15. Egy élőlény fokozatos nagyítása a genetikai anyag szempontjából

16. A gének határozzák meg egy faj örökletes tulajdonságait. A legtöbb gén egy aminosav láncot kódol. A fehérjék ilyen aminosav láncokból állnak. Amit mi egy szervezetben látunk, az vagy egy fehérje, vagy valami amit egy fehérje tesz. Ugyanazon faj egyedeiben, ugyanazon funkciókat betöltő fehérjéket kódoló gének vannak jelen. Mi teszi a fajokat azzá, amik?

17. A különböző funkciókat betöltő fehérjéket kódoló géneknek több változata is létezhet. Ugyanazon gén változatai az allélek. Az allélek változatossága okozza a fajokon belüli változatosságot. Fehérjeszinten az allélek változatossága a fehérjék közti különbségekben jelentkezik. Mi okozza a fajokon belüli változatosságot?

19. Gén – Az öröklődés fizikai és funkcionális alapegysége, amely egy meghatározott információt hordoz; a DNS egy szakasza, amely átírt és szabályzó régióból áll • Genom – a szervezet teljes, sejtmagban található génállománya.

20. A legtöbb szervezetben a genom 2 példányban van jelen. Az ilyen szervezetek diploidok. Néhány élőlény (baktériumok, algák, gombák) sejtjeiben a genom csak 1 példányban van jelen. Ezek az élőlények haploidok. Maga a genom, egy vagy több hosszú DNS molekulából áll, amely(ek) kromoszómá(k)ba rendeződnek. A gének ennek a DNS molekulának a hosszabb – rövidebb régiói, amelyek egy polipeptidlánc szintéziséért felelősek. Minden kromoszómán a gének bizonyos sorrendben helyezkednek el. A diploid sejtekben a gének két példányban vanak, a homológ kromoszómákon.

21. Replikáció– ahhoz, hogy az örökletes anyag be tudja tölteni az életben betöltöltött funkcióit, le kell tudjon másolódni. DNS: kettős hélix, 2 antiparalell szál, amely nukleotidokból épül fel. DNS replikációkor ez a két szál elválik és 1 – 1 régi szál mellé új szál szintetizálódik. A gének alaptulajdonságai

23. A struktúrák, amelyek felépítik a szervezetet, mind valamilyen anyagból, szubsztanciából állnak. Ezen anyag (a fehérje) képződéséhez szükséges információt hordozza a DNS Az információ a DNS nukleotidjainak a sorrendjében van kódolva. Ez fordítódik át aminosavsorrendé két lépésben I. a sejtmagban: DNS  mRNS II. a citoplazmában a riboszómákon: mRNS  aminosav sorrend 2. Forma képzés (transzkripció – transzláció)

25. 3. Mutáció – az örökletes anyag megváltozása következmény: új allélok (=új formák) képződése

26. A génműködés egyszerűsített képe egy eukarióta sejtben

27. A sejt mikroszkópban látható részei: sejtmag kromoszóma maghártya citoplazma riboszómák membrán hálózatok endoplazmás retikulum Golgi készülék sejtszervecskék mitokondrium kloroplaszt sejthártya A genetikai információ áramlása egy eukarióta sejtben

28. A kromoszómák egyes szakaszai génként működnek. A gének működhetnek folyamatosan, a gének működése függhet külső jelektől, amik származhatnak a sejteken belülről vagy a sejten kivülről. A génműködés eredménye a gént alkotó DNS RNS másolata. Az elsődleges RNS másolat a sejtmagban érési folyamaton megy át (egyes szakaszai kivágódnak, végekre jellegzetes képletek szerelődnek), majd kijut a citoplazmába, mint hírvivő, vagy mRNS.

29. A szabad riboszómákon készülő fehérjék egy része olyan részletet tartalmaz, aminek segítségével bejut a sejtszervecskékbe és ott fejti ki aktivitását. A sejtszervecskéknek saját kromoszómája és génjei is vannak. A sejtszervecskék génjeiről is mRNS készül, amik a sejtszervecske saját riboszómáin fordítódnak le fehérjévé.

30. Az endoplazmás retikulumhoz kapcsolódó mRNS-ekről készülő fehérjék bejutnak a retikulum üregébe. Itt különböző cukor vagy zsírsav származékok kapcsolódhatnak kovalensen hozzájuk és veszik fel negyedleges szerkezetüket. A retikulumról lefűződő Golgi készülék a sejthártyához szállítja ezeket és kiürülnek a sejtek közötti térbe. Ezek hozzák létre a sejtek közötti állományt.

31. A genetikai működés egységes az egész élővilágban. A genetikai információ a DNS-től RNS fehérje irányban áramlik. Minden élőlényt, ahogy látjuk, vagy fehérjék, vagy a fehérjék aktivitásának terméke alkotja. Ez a modern biológia központi alapelve, centrális dogmája.

32. A gének aktivitásának eredménye - leszámítva a tRNS és rRNS géneket -, hogy fehérje képződik. A fehérje 3 alapvető funkcióval bírhat, a géntől függően : • A fehérje lehet strukturális. Az ilyen fehérjék a sejt vagy a szervezet fizikai sajátságait határozzák meg • - mikrotubulusok • - izomfehérjék • - hajfehérjék Gének és környezet

33. (2) Enzimek: katalizálják a sejt kémiai reakcióit. (3) Szabályozó fehérjék: szabályozzák más gének aktivitását. A gének nem magukban hatnak. A környezet szerepe fontos. A gének közreműködésével az élőlények létrehozzák azt a rendezett "folyamatot", amit életnek nevezünk a külvilág "rendezetlen" komponenseiből.

34. Genotípus és fenotípus fogalmai • Hogy különbséget tehessünk az öröklődő gének és a fejlődés után létrejövő sajátságok között, megalkották a genotípus és a fenotípus fogalmát. • Ha két egyed génjei megegyeznek, azonos genotípusuk van. Ha megjelenésük vagy funkciójuk egyezik meg, azonos fenotípusról beszélünk. • Genotípuson szigorú értelemben az egyed összes örökölt génjét értjük. • Fenotípus, szigorúan véve az egyed morfológiája, fiziológiája, viselkedése, és ökológiai kapcsolatainak összessége.

35. A vörösvértestek alakja sarlószerűvé változik A sarlósejtes vérszegénység fenotípusának kialakulása Apró változás a hemoglobin gén DNS-ében hemoglobin A helyett hemoglobin S fehérje képződik Alacsony oxigén koncentráció a környezetben A hS molekulák kristályszerűen kicsapódnak a vörösvértestekben A vértestek szétesnek A vértestek elakadnak a lépben Keringési zavarok egyéb szervek károsodása vérszegénység szívprobléma agykárosodás lépkárosodás vesebetegség mentális betegség gyengeség tüdőgyulladás reuma

36. A DNS szerkezete és replikációja Az örökítő anyag, - a DNS - szerkezetét és működésmódját 1953-ban írta le James Watson és Francis Crick.

37. A DNS örökítőanyag mivoltának bizonyítéka I.A transzformáció felfedezése (Frederick Griffith 1928) S törzs A Streptococcus pneumoniae virulens, S törzsével beoltott egerek tüdőgyulladásban elpusztulnak, az R törzzsel beoltottak túlélnek. R törzs

38. A transzformáció felfedezése Griffith kísérlete, 1928 A hővel kezelt S törzs nem pusztítja el az egereket. A hővel elölt S baktériumok és az élő nem-virulens R baktériumok keverékével beoltott egerek elpusztulnak. Az utolsó kísérlet döglött egereiből élő S baktériumok tenyészthetők ki. Az elölt baktériumok anyagából valamint az R baktériumokat S-é alakította át (transzformálta).

39. + DNA + A transzformáló anyag a DNS. O. Avery, C.M. Mac Leod és M. McCarty kísérlete, 1944 Az S sejtekből kivont anyagokból egyedül a DNS az, amivel az R sejtek S formává alakíthatók. Tehát a DNS a transzformáló anyag. Ez a kísérlet igazolta először, hogy a gének DNS-ből állnak.

40. Néhány vírusnak RNS az örökítő anyaga Ennek bizonyítása dohány mozaik vírussal: 1., Az RNS-ről eltávolították a fehérje burkot. 2., Az egyik törzsből tisztított RNS-t egy másik törzsből tisztított fehérjeburokkal keverték össze. 3., A „hibrid” vírussal levelet fertőztek. 4., A levélből kinyert vírusok az RNS-t adó törzs tulajdonságait hordozták.

41. Mit kell „tudnia” a genetikai anyagnak? 1., Rendelkeznie kell az információ tárolásának és működtetésének képességével. 2., Képesnek kell lennie ezen információt pontosan megkétszerezni és változatlan formában továbbadni. 3., Rendelkeznie kell a változékonyság képességével. A DNS ismert kémiai szerkezete túlságosan egyszerű felépítésűnek tűnt ahhoz, hogy a fenti feladatoknak megfelelhessen.

42. A DNS kémiai összetevői

43. A DNS kémiai felépítésének alapegysége a nukleotid. A nukleotid foszfátot, deoxiribóz cukrot és négy szerves bázisból egyet tartalmaz. A négy bázis az adenin, a guanin, a citozin és a timin. A cukor és a bázis alkotta egység a nukleozid: deoxiadenozin, deoxiguanozin, deoxicitidin, deoxitimidin. A nukleotidok teljes kémiai neve: rövidítése deoxiadenozin 5’-monofoszfát, dAMP - A deoxiguanozin 5’-monofoszfát, dGMP - G deoxicitidin 5’-monofoszfát, dCMP - C deoxitimidin 5’-monofoszfát, dTMP - T A DNS kémiai összetevői

44. Kölönböző élőlényekből kivonható DNS összetételének vizsgálata érdekes törvényszerűségeket tárt fel. A törvényszerűségeket Erwin Chargaff ismerte fel: • Az élőlényekből származó DNS-ekben a pirimidin nukleotidok (T + C) mennyisége egyenlő a purin (A + G) nukleotidok mennyiségével. • A T mennyisége egyenlő az A-val, és C mennyisége egyenlő G-vel. • Azonban A + T és C + G mennyiségek nem feltétlenül egyenlők, azok aránya jellemző az élőlényre amiből a DNS származik. A Chargaff szabályok (1955)

45. Példák a Chargaff szabályokra

46. A DNS kettős spirál

47. A modellben a víztaszító bázisok belül, a cukor és foszfát csoportok kívül helyezkednek el. Minden bázispár egy purint, (A vagy G) és egy pirimidint, (T vagy C) tartalmaz. Az A-T párt 2, a G-C párt 3 hidrogénhíd stabilizálja. A két szál komplementer (meghatározza és kiegészíti egymást). Az antiparallel irányultságot a cukor 5 3’ iránya adja. A DNS elsődleges szerkezete: polinukleotid lánc

48. A DNS kettős spirál létra modellje A létra modellen jól látszik, hogy a bázispárok létrafokként helyezkednek el a szerkezet belsejében. A cukor gyűrű síkja majdnem merőleges a bázisok síkjára. A víztaszító bázisok szoros egymásra fekvése a víz kiszorítása által erősen stabilizálja a szerkezetet. A hidrofil cukor-foszfát gerinc kölcsönhat a sejt vízmolekuláival.

49. A DNS kettős spirál térkitöltő modellje Jól látszik, hogy a víztaszító bázisok szorosan egymásra fekszenek ami erősen stabilizálja a szerkezetet. A három dimenziós szerkezet jól szemlélteti az egymással ellentétes oldalon futó kis és a nagy barázdát. A DNS-kötő fehérjék csak a barázdákban kapcsolódhatnak a bázisokhoz. nagy árok kis árok

50. A B Z A DNS többféle másodlagos szerkezetet vehet fel Az élőlényekben és vizes oldatban a „B” forma a leggyakoribb, ebben a bázisok síkja majdnem merőleges a cukor-foszfát gerincre. Dehidrált körülmények között egy tömörebb „A” forma jön létre, melyben a bázisok síkja megdől. Hosszú GCGCGC.... ismétlődések a Z formát vehetik fel, amely balmenetes, zegzugos lefutású és megnyúlt.