TWÓJ BIOTECHNOLOG

https://www.facebook.com/twoj.biotechnolog

DNA - budowa i zasady dziedziczenia

Podstawowymi elementami budującymi kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) są nukleotydy, a dokładniej cztery ich rodzaje, pełniące funkcje cegiełek budulcowych. W swych cząsteczkach zawierają po trzy składniki: pięciowęglowy cukier (deoksyryboza), zasadę azotową (dwupierścieniowa puryna: adenina /A/ lub guanina /G/, albo jednopierścieniowa pirymidyna: cytozyna /C/ lub tymina /T/), resztę fosforanową. Połączone są kolejno poprzez cukier i resztę fosforanową wiązaniami fosfodiestrowymi, co pozwala na uzyskanie długich i nierozgałęzionych łańcuchów.

Cząsteczka DNA utworzona jest przez dwa polinukleotydowe łańcuchy, spiralnie okręcone wokół wspólnej osi w taki sposób, że zasady azotowe znajdują się wewnątrz spirali, natomiast cukier i reszty fosforanowe na zewnątrz. Łańcuchy połączone są ze sobą poprzez wiązania wodorowe wytworzone przez pary komplementarnych zasad (podwójne pomiędzy adeniną a tyminą i potrójne pomiędzy cytozyną a guaniną). Każda informacja genetyczna jest przenoszona przez sekwencję nukleotydów o ściśle określonej kolejności.

Replikacja DNA (inaczej powielanie, kopiowanie) to proces syntezy, w czasie której z jednej macierzystej cząsteczki DNA powstają dwie potomne, identyczne z macierzystą.

Proces ten ma charakter semikonserwatywny (półzachowawczy), a zatem jedną z dwóch nici budujących cząsteczkę potomną jest nić macierzysta, a drugą nowa, dosyntetyzowana z zachowaniem zasady komplementarności. W replikację zaangażowana jest grupa enzymów, wśród których znajdują się: rozplatający helisę DNA, rozcinający wiązania wodorowe między obiema jej nićmi oraz dobudowujący nowe nukleotydy do rozdzielonych nici (polimeraza). Proces rozpoczyna się w specjalnym miejscu na cząsteczce DNA, nazwanym miejscem inicjacji replikacji. Tworzą się tam widełki replikacyjne (punkty rozdzielenia helisy). Polimeraza DNA odczytuje matrycę w kierunku 3' → 5'. Ale ze względu na antyrówoległość nici w podwójnej helisie, na jednej z tych nici synteza zachodzi w sposób ciągły (nić prowadząca), a na drugiej tworzone są krótkie "fragmenty Okazaki", które później łączone są za pomocą ligazy DNA (nić opóźniona).

Podstawowe pojęcia

Gen to podstawowa jednostka dziedziczenia, odcinek DNA zawierający informację o kolejności aminokwasów w jednym białku. Geny stanowią coś w rodzaju instrukcji, w której zapisane są cechy. Istotne jest, że zapis w DNA nie jest tłumaczony równocześnie z obu nici w podwójnej helisie, tylko jedna z nich - nić matrycowa- niesie informację biologiczną dotyczącą danej cechy. W komórkach człowieka znajduje się od 50-100 tysięcy genów zlokalizowanych w 23 parach chromosomów, w obrębie których są rozproszone (poprzedzielane fragmentami niekodującymi).

Allele są różnymi odmianami tego samego genu i zlokalizowane są w tych samych pozycjach w chromosomach homologicznych. Różne allele tego samego genu oznacza się jako różne warianty jednej litery, np. A₁, A₂, a₁, a₂ (biała albo czerwona barwa kwiatów grochu jest wynikiem obecności różnych alleli jednego genu odpowiedzialnego za barwę kwiatów).

Chromosomy homologiczne są to chromosomy podobne pod względem wyglądu i składu genetycznego. W początkowych fazach mejozy mogą tworzyć pary, pomiędzy którymi zachodzi crossing-over, czyli wymiana odpowiadających sobie fragmentów.

Homozygota jest osobnikiem posiadającym dwa identyczne allele danego genu (związane z określoną cechą) w chromosomach homologicznych. Oznaczana jest dwoma takimi samymi symbolami literowymi (np. BB albo bb).

Heterozygota jest osobnikiem posiadającym dwa różne allele danego genu (związane z określoną cechą) w chromosomach homologicznych. Oznacza się ją dwoma wariantami tej samej litery (np. Bb).

Allel dominujący to allel, ujawniający się w heterozygocie (np. w heterozygocie Bb, oznaczany B).

Allel recesywny to allel, który nie ujawnia się w heterozygocie (np. w heterozygocie Bb, oznaczany b).

Homozygota dominująca to osobnik, który posiadaj dwa dominujące allele określonego genu (BB).

Homozygota recesywna to osobnik, który posiada dwa recesywne allele określonego genu (np. bb).

Genom to całość kwasu nukleinowego zawierająca informację genetyczną organizmu.

Haploidalność - posiadanie pojedynczego zestawu (tzn. n) chromosomów.

Diploidalność - posiadanie podwójnego zestawu chromosomów (2n).

Mendel krzyżował rośliny pochodzące z czystych linii, które różniły się fenotypowo jedną cechą - barwą kwiatu. Przykładem jest krzyżówka dwóch czystych odmian grochu, odmiany o kwiatach czerwonych z odmianą o kwiatach białych.

Linia czysta jest zbiorem osobników będących homozygotami pod względem określonej cechy.

Feneotyp - ujawniający się "na zewnątrz" zespół cech morfologicznych, fizjologicznych i biochemicznych osobnika, powstaje na skutek działania różnych genów, częściowo modyfikowanego przez środowisko.

I prawo Medla (prawo czystości gamet):

geny rozdzielają się w czasie tworzenia gamet (tzn. do każdej gamety trafia po jednym allelu z danej pary).

W przypadku barwy kwiatów grochu, allel A (czerwone) dominuje nad allelem a (białe). Wówczas wszystkie osobniki z pierwszego pokolenia mieszańców (F1) będą heterozygotami o czerwonych kwiatach. Ale gamety przez nie wytworzone będą różne, w połowie z nich znajdą się allele A, a w drugiej połowie allele a.

Dominacja zupełna jest zjawiskiem pojawiającym się w heterozygotach, w których jeden z dwóch różnych alleli określonego genu nie pozwala na ujawnienie się obecności drugiego.

Dominacja niezupełna (kodominacja) jest widoczna w heterozygotach, w których allel dominujący nie przysłania całkowicie obecności drugiego allelu - allelu recesywnego. Przykładem jest różowa barwa kwiatów u heterozygoty Aa (pośrednia wartość cechy)

Naddominacja - zjawisko lepszego dostosowania się heterozygoty niż obu homozygot do danych warunków. Jest jednym z mechanizmów utrzymujących polimorfizm genetyczny w populacji.

Przykładem naddominacji jest mutacja punktowa w genie kodującym łańcuch beta-globiny - białka wchodzącego w skład hemoglobiny. Jeśli występuje ona w obu allelach, powoduje anemię sierpowatą. Jednak ponieważ heterozygoty nie chorują na malarię, zmutowany allel utrzymuje się w populacji, zwłaszcza na terenach występowania malarii. Jest to jeden z nielicznych pewnych przykładów na naddominację.

Geny sprzężone z płcią

Badanie prowadzone przez Mendla opierały się na krzyżówkach roślin, a dokładniej osobników, które różniły się dwiema odrębnymi cechami, np. dające nasiona gładkie i żółte (cechy dominujące) z dającymi nasiona pomarszczone i zielone. Pokolenie F1 to heterozygoty, których nasiona są: gładkie żółte, gładkie zielone, pomarszczone żółte i pomarszczone zielone, w stosunku fenotypowym 9 : 3 : 3 : 1.

II prawo Mendla (prawo niezależnego dziedziczenia):

poszczególne geny dziedziczą się niezależnie od siebie, tworząc w gametach wszystkie kombinacje z jednakowym prawdopodobieństwem, a w potomstwie całą mozaikę cech w określonym stosunku liczbowym¹ (inaczej mówiąc gamety tworzone są tak, że allele z różnych par genów wchodzą do gamet niezależnie od siebie).

Cechy, o których informacja genetyczna uzyskiwana jest od rodziców, wykształcają się pod wpływem działania kilku czynników i właśnie dlatego nie zawsze dziedziczą się w sposób zgodny z prawami Mendla i nie zawsze są efektem obecności lub braku jednego konkretnego allelu. Mendel obserwował akurat takie cechy, które determinowane są przez geny zlokalizowane na różnych chromosomach i sformułował prawa słuszne dla takich przypadków. Gdy oba geny znajdą się na jednym chromosomie, cechy dziedziczą się w sposób sprzężony, co oznacza że ich geny wędrują razem podczas mejozy do tej samej gamety. Dlatego grupy genów, które dziedziczone są razem nazywano grupami genów sprzężonych.

W komórkach somatycznych cały garnitur chromosomów zawiera dwa chromosomy płciowe (pozostałe 22 pary chromosomów to autosomy). U większości organizmów homozygoty XX to osobniki żeńskie, natomiast heterozygoty XY to osobniki męskie (u ptaków jest odwrotnie).

Krzyżówki wykonane na muszce owocowej pozwoliły pokazać, że pewne cechy są sprzężone z płcią. Po skrzyżowaniu samic o czerwonych oczach z samcami o oczach białych uzyskano w pokoleniu F1 wszystkie osobniki o oczach czerwonych. Jest to zgodne z I prawem Mendla, przy założeniu, że czerwona barwa oczu dominuje nad białą. Natomiast krzyżując białookie samice z czerwonookimi samcami uzyskano w pokoleniu F1 czerwonookie samice i białookie samce. Wytłumaczono to obecnością chromosomów płciowych, na których oprócz genów determinujących płeć znajdują się także inne, u muszki owocowej jest to znajdujący się na chromosomie X gen decydujący o barwie oczu (allel dominujący odpowiada za wykształcenie barwy czerwonej, a powstały w wyniku jego mutacji allel recesywny - za barwę białą; zaś w chromosomie Y nie ma żadnego allelu warunkującego barwę oczu). Samce są zatem hemizygotami (posiadają tylko jeden egzemplarz tego genu, pochodzi od matki i to on właśnie określa fenotyp).

Mutacje genetyczne

Każdy osobnik powstający w wyniku rozmnażania płciowego jest inny od swoich rodziców. Dzieje się tak, ponieważ istnieje zmienność rekombinacyjna. Każdy organizm posiada po dwa allele w każdym genie. Do tworzonej gamety, służącej do rozmnażania płciowego, przechodzi tylko jeden z alleli każdego genu. Który? To sprawa losowa. Każda gameta ojca i każda gameta matki zawiera wiele genów, a każdy posiada losowo wybrany jeden allel z pary. Aby powstał nowy organizm, jedna gameta męska musi połączyć się z jedną gametą żeńską. Które z gamet spotkają się? To sprawa losowa. W wyniku tego powstaje zygota, będąca mieszanką alleli ojca i matki - powstaje nowy, niepowtarzalny genetycznie organizm. Rekombinacje, zachodzące podczas procesów płciowych, stanowią źródło różnorodności organizmów.

Aby jednak utworzyć jakąkolwiek mieszankę cech, należy dysponować różnymi cechami. Skąd więc wzięły się te różnice, pozwalające na późniejsze rekombinacje? Pierwotnym źródłem zmienności świata żywego są mutacje. Polegają one na nagłych zmianach w materiale genetycznym i mogą być dziedziczone, choć niekoniecznie. Przekazaniu do następnych pokoleń ulegają te mutacje, które zachodzą w linii komórek płciowych. Mutacje w komórkach somatycznych nie ulegają dziedziczeniu.

Przyczyny mutacji

Mutacje w DNA mogą zachodzić spontanicznie lub pod wpływem działania określonych czynników zewnętrznych. Mutacje spontaniczne zachodzą zazwyczaj podczas replikacji DNA. Jest to proces niezwykle złożony i choć przebiega pod ścisłą kontrolą wielu enzymów, to zawsze istnieje pewne ryzyko popełnienia błędu. Mutacje takie pojawiają się raz na milion a nawet raz na miliard.

Istnieją też pewne czynniki chemiczne i fizyczne, zwane mutagennymi, które przyczyniają się do powstawania mutacji. Są wykorzystywane w laboratoriach, ale działają także w naturze. Są to m.in. promieniowanie UV, promienie X i gamma, wysoka temperatura oraz różnego rodzaju związki chemiczne.

Skala mutacji

Materiał genetyczny ma skomplikowaną strukturę i na każdym jej poziomie może dojść do mutacji. W zależności od skali zmian, wyróżnia się mutacje genowe, zwane też punktowymi, oraz mutacje chromosomowe.

Mutacje genowe obejmują niewielki odcinek DNA, nie wykraczający poza obręb jednego genu. Zazwyczaj jest to jedna lub kilka par nukleotydów. Możemy mieć tu do czynienia z substytucją, czyli podstawieniem niewłaściwego nukleotydu do matrycy. Zmiana jednej zasady azotowej w trójkowym kodonie może spowodować różne efekty. Najbardziej istotne są tzw. mutacje zmiany sensu. Przykładowo: jeśli do matrycy o sekwencji AAA, na drugim miejscu podstawiony zostanie błędny nukleotyd (np.G), to otrzymamy TGT zamiast prawidłowego TTT. Po przepisaniu tego na mRNA powstanie matryca do syntezy białka o sekwencji UCU (zamiast UUU). UUU oznacza aminokwas fenyloalaninę, UCU natomiast serynę. Otrzymujemy więc inny aminokwas, co może spowodować powstanie niefunkcjonalnego białka. W wyniku takiego podstawienia może też dojść do powstania kodonu nonsensownego, czyli oznaczającego sygnał "stop" dla syntezy białka. Wówczas powstanie białko krótsze niż powinno, bądź nie powstanie ono wcale. Takie mutacje to mutacje nonsensowne. Jednak nie zawsze dochodzi do zmiany sensu. Kod genetyczny jest przecież zdegenerowany, więc może się zdarzyć, że zamiana jednej z trzech zasad nukleotydowych w kodonie nie spowoduje zmiany odpowiadającego aminokwasu. Przykładowo: do matrycy DNA o sekwencji CCC dobudowana zostaje trójka z błędną zasadą: GGT zamiast GGG. Normalnie po transkrypcji otrzymalibyśmy mRNA z sekwencją CCC, czyli aminokwas prolinę. W wyniku mutacji jednak otrzymujemy CCA, co oznacza... prolinę! Mutacja więc nic nie zmieniła i powstające białko będzie w pełni prawidłowe. Takie mutacje to mutacje milczące i zazwyczaj zachodzą one na trzeciej pozycji w kodonie, gdyż jest to pozycja najmniej istotna.

Mutacje w obrębie genu mogą też polegać na wstawieniu dodatkowej pary nukleotydów bądź jej utracie. Włączenie w DNA dodatkowej pary (lub większej ilości) nukleotydów to insercja, natomiast utrata - delecja. Obie mutacje powodują przesunięcie ramki odczytu matrycy. Matryca DNA jest bowiem "odczytywana" trójkami, bez nakładania się i bez elementów pomiędzy kodonami. Tak więc jeśli mRNA powstający na prawidłowej nici DNA miałby sekwencję CCGUUGAGC, co oznacza kolejno: prolina-leucyna-seryna, to jeśli w wyniku delecji wypadnie C na początku, otrzymamy CGUUGAGC, co da nam następujący efekt: arginina-STOP. Zupełnie co innego, niż powinno! Może też powstać długi łańcuch białkowy, złożony z całkiem innych aminokwasów, niż zostały zakodowane w DNA. Białko takie najczęściej jest bezużyteczne.

Mutacje chromosomowe są skutkiem zakłóceń w procesie crossing-over i obejmują liczne geny położone w obrębie chromosomu. W obrębie jednego chromosomu może zajść deficjencja, czyli oderwanie i degradacja jego fragmentu. Jeśli przyjmiemy, że w tym i kolejnych przykładach jedna litera oznacza jeden gen, a to prawidłowy chromosom to MUTACJECHROMOSOMOWE, wówczas deficjencja wyglądałaby tak: MUTACJECHROMOS (fragment OMOWE uległ eliminacji). Inny rodzaj mutacji to duplikacja w obrębie chromosomu, która polega na powieleniu jego fragmentu, np. MUTACJECHROCHROMOSOMOWE (zduplikowany fragment CHRO). Druga kopia fragmentu pochodzi z chromosomu homologicznego. Może też zajść inwersja, czyli odwrócenie fragmentu chromosomu o 180°, w wyniku czego zmienia się kolejność ułożenia genów, co ma niebagatelny wpływ na dziedziczenie tzw. genów sprzężonych ze sobą. Modelowo wygląda to następująco: MUTAOMORHCEJCSOMOWE (odwróceniu uległ fragment CJECHROMO). Mutacja może też objąć dwa chromosomy niehomologiczne. Na tym polega translokacja - przeniesienie fragmentu chromosomu na inny chromosom, niehomologiczny do niego, np. MUTACJECHROM OSOMOWEGENETYCZNE (fragment OSOMOWE został przeniesiony na chromosom GENETYCZNE).

Omówione do tej pory mutacje chromosomowe to zmiany strukturalne. Mogą też zachodzić zmiany o jeszcze większej skali - mutacje dotyczące liczby całych chromosomów, zwane też genomowymi. Wszystkie chromosomy w jądrze są "pogrupowane" w homologiczne pary, u człowieka tych par jest 23. Jeśli nastąpi zmiana polegająca na braku jednego chromosomów z pary bądź wystąpieniu jednego dodatkowego, mamy do czynienia z aneuploidią. Tego typu mutacje zachodzą podczas mejozy, gdy chromosomy homologiczne nie rozdzielą się prawidłowo. Jedna z komórek potomnych zostaje pozbawiona chromosomu, a druga otrzymuje dodatkowy. Brak chromosomu to monosomia (mono= jeden), liczba chromosomów w komórce oznaczana jest wówczas jako 2n-1, natomiast nadmiar chromosomów to trisomia (tri=3 zamiast dwóch w parze), oznaczana jako 2n+1. Zdarza się też, że cały zestaw chromosomów ulega zwielokrotnieniu - wówczas mówi się o euploidii. Osobniki takie częściej spotyka się wśród roślin, bowiem dla zwierząt mutacja taka zazwyczaj jest letalna. Poliploidalność roślin jest wykorzystywana w rolnictwie, gdyż osobniki takie są większe, a to oznacza większe plony.

Znaczenie mutacji

Zmiany w genotypie, jakimi są mutacje, prowadzą do zmian w fenotypie, czyli zespole cech warunkujących funkcjonowanie osobnika. Od tego, jak osobnik funkcjonuje zależy jego dostosowanie, czyli zdolność do przeżycia i wydania na świat potomstwa. To właśnie jest istotą ewolucji i celem nadrzędnym wszystkich żywych organizmów. Mutacje zmieniające fenotyp mogą powodować w nim zmiany korzystne, które zwiększają dostosowanie. Jednak równie często mogą to być mutacje powodujące ujawnienie się cech niekorzystnych, a nawet letalnych. Wiele mutacji nie ma znaczącego wpływu na dostosowanie.

Jakiego typu zmian zachodzi najwięcej? Chciałoby się powiedzieć, że tych korzystnych, bo takie zazwyczaj obserwujemy. Ale tak naprawdę mutacje są losowe i oznaczają po prostu "jakąś" zmianę. Dopiero środowisko i dobór naturalny zweryfikują, czy zmiana ta jest korzystna, czy nie. To, że dany osobnik żyje już świadczy o tym, że jest dobrze dostosowany. Jest więc małe prawdopodobieństwo, że losowa zmiana w jego genotypie mogłaby go jeszcze "ulepszyć". Natomiast fakt, że obserwujemy więcej efektów mutacji "korzystnych" wynika z tego, że osobniki z tymi "niekorzystnymi" zostały wyeliminowane, a "neutralnych" nie jesteśmy w stanie zauważyć.

PODSUMOWANIE:

---