MOLEKULARNE PODSTAWY DZIEDZICZNOŚCI
Molekularną podstawą genów jest kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA). DNA jest zbudowane z łańcucha nukleotydów, które dzielą się na cztery rodzaje: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G), tymina (T). Informacja genetyczna znajduje się w sekwencji tych nukleotydów i geny egzystują jako odcinki sekwencji wzdłuż pierścienia DNA. Wirusy są jedynym wyjątkiem tej zasady - czasem wirusy wykorzystują tą bardzo łatwą molekułę RNA zamiast DNA jako ich materiał genetyczny.
Zazwyczaj DNA występuje jako molekuła o podwójnym włóknie skręcona w kształt podwójnej spirali. Każdy nukleotyd w DNA specjalnie pasuje do drugiego nukleotydu po drugiej stronie: A pasują do T, a C pasują do G. Tak więc w formie z dwoma włóknami każde włókno zawiera wszystkie niezbędne informacje. Taka struktura DNA jest fizyczną bazą dziedziczności: replika DNA kopiuje informację genetyczną poprzez rozczepienie włókien i użycie każdego włókna jako szablon do syntezy nowego włókna.
Geny są umieszczone wzdłuż długich łańcuchów sekwencji DNA zwanymi chromosomami. Takie nici DNA są często bardzo długie. Dla przykładu najdłuższy ludzki chromosom ma długość ok. 247 milionów par zasad. DNA chromosomu jest połączone z proteinami strukturalnymi, które organizują, ściskają i kontrolują dostęp do DNA tworząc materiał zwany chromatyną. Pełny zestaw materiału genetycznego organizmu (zazwyczaj związane sekwencje DNA wszystkich chromosomów) jest nazywany genomem.
CZYM JEST KOD GENETYCZNY?
DNA zbudowane jest z czterech nukleotydów. Różne kombinacje - po trzy spośród czterech dostępnych nukleotydów tworzą 64 kombinacje kodu genetycznego. Dysponując 64 rodzajami trójek (tripletów) można na długiej nici DNA zapisać dowolną informację. Triplety (trójki nukleotydów) składają się na geny, komplety genów zwane regulonami, poszczególne chromosomy i jądro komórkowe. W jądrze komórki informacja zapisywana na łańcuchach DNA kopiowana jest na wyciągi informacyjnego RNA (m-RNA). Odczytanie tej informacji wymaga użycia specyficznych narzędzi, którymi są RNA transportujący (t-RNA) i rybosomowy (r-RNA).
CO TO ZNACZY, ŻE DNA ZAWIERA INFORMACJE GENETYCZNĄ?
Biologiczny sens odczytywania informacji genetycznej sprowadza się zaś do wykonywania, według zawartego w niej przepisu, białkowych narzędzi do realizacji wszystkich funkcji życiowych każdej komórki i całego organizmu. Jest to zasada „JEDEN GEN - JEDEN ENZYM”.
BIOSYNTEZA BIAŁEK
Realizacja przepisu na budowę cząsteczki białka zachodzi w procesach zwanych transkrypcją (przepisaniem) i translacją (tłumaczeniem). Pierwszy z nich polega na przepisaniu „archiwalnej” sekwencji nukleotydów z nici DNA na „roboczą” sekwencję nici RNA. Drugi na przetłumaczeniu języka nukleotydów na język budowy białek i wykonaniu zapisanej w nim instrukcji budowy białka.
TRANSKRYPCJA
Transkrypcja zachodzi na chromosomach, które są w jej trakcie rozplatane. Przeprowadzają ją wyspecjalizowane białka - polimerazy RNA zależne od DNA, które są w stanie rozpoznać cechy fizykochemiczne miejsc, od których zaczyna się przepisywaniem. Podczas przepisywania obowiązuje zasada komplementarności: deoksyrybonukleotydy zamieniane są odpowiednio na rybonukleotydy. W ten sposób powstają liczące kilka tysięcy nukleotydów, jednoniciowe fragmenty heterogennego RNA, z których w jąderku wycinane są przez odpowiednie białka odniki m-RNA, t-RNA i r-RNA. Po przeniesieniu do cytoplazmy uczestniczą one w procesie translacji, który zachodzi w rybosomach osadzonych na błonach siateczki śródplazmatycznej.
TRANSLACJA
Rybosomalny RNA (r-RNA) wchodzący w skład rybosomów tworzy swoisty warsztat do syntezy białek. Rybosomalny „warsztat” ma zdolności wiązania m-RNA i t_RNA oraz zdolność do systematycznego przesuwania nici m-RNA, skokami po trzy nukleotydy. Transportujący RNA (t-RNA) przenosi aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów i uczestniczy w ich łączeniu w polipeptydy. Istnieje 31 rodzajów t-RNA, z których każdy może łączyć się tylko z jednym spośród 20 rdzajów aminokwasów. Oznacza to, ze niektóre aminokwasy maja więcej niż jeden transportujący RNA. Przyjmuje się, że cząsteczka t-RNA ma kształt czteroramiennego klucza- koniczynki. Poprzez jedno z tych ramion cząsteczka t-RNA łączy się w cytoplazmie z odpowiednim aminokwasem (dzięki aktywności specyficznych białek -enzymów - syntetaz aminoacylo-t-RNA należących do grupy liaz). Następnie obarczone aminokwasem t-RNA (aminoacylo-t-RNA) dociera do rybosomu, z którym łączy się innym ramienie. Równocześnie trzecie ramię t-RNA łączy się z m-RNA. Po raz kolejny w łączeniu tym obowiązuje zasada komplementarności, co oznacza, że trzy rybonukleotydy ramienia r_RNA łączącą się z trzema nukleotydami łańcucha m-RNA. 31 trójek t-RNA zwanych antypodami dopasowuje się specyficznie do odpowiednich rodzajów spośród 61 trójek m-RNA zwanych kodonami. W ten sposób rozwiązany zostaje problem uporządkowania aminokwasów w powstającym łańcuchu białka. Każdemu kodonowi m-RNA i antykodonowi t-RNA odpowiada bowiem jeden aminokwas. Po związaniu pierwszej cząsteczki kompleksu t-RNA-aminokwas z m_RNA i rybosomom „rybosomalny” warszat przesuwa cząsteczkę m-RNA o trzy nukleotydy tworząc w ten sposób miejsce na przyłączenie kolejnego zespołu t-RNA-aminokwas. Dwa umieszczone obok siebie na m-RNA aminokwasy łączą się w ym momencie wiązaniem peptydowym. Akcja ta powtarza się, aż cały fragment m-RNA opisujący kolejnośc aminokwasów w białku zostanie odczytany - ulegnie translacji.
MUTACJE CHROMOSOMOWE
Zazwyczaj dochodzi do nich podczas podziałów komórki, szczególnie podczas zwanych mejozą podziałów, prowadzących do poswatania komórek rozrodczych, kiedy to powstają jaja i plemniki. Do mutacji może również dojść pod wpływem pewnych specyficznych trucizn, jak np. kolchicyna. Proces starzenia się również sprzyja powstawaniu mutacji. Wyróżniamy mutacje:
- pojedynczych chromosomów, zwane aberracjami strukturalnymi, mogą polegać na utracie jednego fragmentu łańcucha DNA (delecja), przeniesieniu fragmentu do homologicznego chromosomu (translokacja z towarzyszącą delecją) albo do chromosomu niehomologicznego (translokacja z towarzyszącą delecją) lub wreszcie na odwróceniu fragmentu nici DNA w obrębie chromosomu tak, że jest on wmontowany „wspak” (inwersja).
- liczbowe, w wyniku których podczas podziałów komórki potomne otrzymują niejednakową ilość chromosomów. Może się zatem zdarzyć trisomia i monosomia (jedna komórka uzyskuje podczas podziału dwa zamiast jednego z dwóch chromosomów homologicznych, natomiast w drugiej nie znajdzie się żaden) - dwa przeciwstawne przypadki aneuploidalności.
NIEKTÓRE CHOROBY BĘDĄCE SKUTKIEM ANEUPLOIDALNOŚCI U CZŁOWIEKA:
ZESPÓŁ DOWNA wynikający z trisomii 21 pary chromosomów
ZESPÓŁ KLINEFELTERA skutek trisomii chromosomów płciowych XXY
ZESPÓŁ TURNERA monosomia chromosomu płciowego X, trisomia chromosomów płciowych powodująca umiarkowane zaburzenia rozwoju.