Genetyka

Współczesna nazwa nauki o dziedziczeniu i zmienności organizmów, czyli genetyki pochodzi od greckiego słowa "genetes" co znaczy "rodzić". Nośnikiem informacji genetycznej jest cząsteczka DNA, czyli kwasu dezoksyrybonukleinowego. Zawarty w niej kod genetyczny informuje o strukturze białek, ich sekwencji i syntezie oraz o rodzajach kwasu rybonukleinowego (RNA). Te informacje genetyczne są namnażane w procesie replikacji DNA.

Budowa DNA

Cząsteczka DNA zbudowana jest z nukleotydów (dezoksyrybonukleotydów), tworzą ją dwa łańcuchy (nici) spiralnie skręcone. Struktura taka nosi nazwę podwójnej helisy. W pojedynczym łańcuchu nukleotydy są połączone (stabilizowane) za pomocą wiązań kowalencyjnych.

Pojedynczy nukleotyd składa się z zasady azotowej, dezoksyrybozy (pięciowęglowy cukier) i reszty kwasu fosforowego (ortofosforowego).

Zasady azotowe w łańcuchach ułożone są do wewnątrz każdego z nich. Są cztery takie zasady:

Dwie pierwsze są zasadami purynowymi, dwie kolejne - pirymidynowymi. Ważną cechą ich łączenia jest tzw. zasada komplementarności. Oznacza to, że adenina może się łączyć tylko z tyminą, a guanina z cytozyną.

Replikacja DNA

Replikacją DNA nazywa się proces kopiowania DNA przez każdą komórkę organizmu. Jest ona niezbędna do przekazania informacji genetycznej komórkom potomnym.

Nowe nici tego kwasu są tworzone (proces syntezy) w trakcie podziałów komórkowych na podstawie (na matrycy) już istniejących w drodze ich kopiowania. Proces ten nazywa się replikacją. Mówiąc inaczej to podwajanie i synteza nowych cząsteczek na podstawie starych.

Na każdej nici DNA jest tworzona nowa cząsteczka kwasu, czyli otrzymujemy dwa podwójne łańcuchy. Nowa cząsteczka zawiera jedną nową nić i jedną starą. Ten sposób replikacji nazywa się semikonserwatywnym. Proces replikacji musi być bardzo dokładny, ponieważ jest odpowiedzialny za przekazanie identycznej informacji do każdej nowej komórki czy organizmu.

W celu zapewnienia procesu replikacji i jego poprawności niezbędny jest udział kilku enzymów. Bardzo ważnym enzymem jest polimeraza DNA. Łączony ona pojedyncze nukleotydy w komórce za pomocą wiązań estrowych syntetyzując (tworząc) w ten sposób nowe komplementarne nici. Zanim jednak dojdzie do powstania nowego łańcucha podwójna helisa DNA musi być rozkręcona (biorą tu udział odpowiednie enzymy) i tworzą się tzw. widełki replikacyjne, czyli krótkie odcinki jednołańcuchowe. Na każdym z nich polimeraza DNA buduje fragmenty Okazaki (nowe fragmenty DNA).

W obszarze tych widełek dochodzi do czterech ważnych procesów:

  • Rozplecenia podwójnej helisy
  • Syntezy (budowy) nici
  • Inicjacji, czyli zapoczątkowania replikacji
  • Ligacji - połączenia się ze sobą fragmentów Okazaki; nazwa procesu pochodzi od enzymu biorącego tu udział, czyli ligazy.

Mówiąc o replikacji DNA należy pamiętać, że występuje jeszcze replikacja:

  • Naprawcza - usuwa uszkodzone fragmenty DNA
  • Rekombinacyjna - polega na wymianie między danymi odcinkami DNA

Ewentualne błędy w trakcie replikacji mogą skutkować mutacjami (niekorzystnymi zmianami) w komórkach.

Gen - podstawowa jednostka dziedziczenia

Termin "gen" został zaproponowany przez W. L. Johannesena w 1909 roku.

Gen zawiera informację o ułożeniu reszt aminokwasowych w łańcuchu nukleotydów DNA (lub RNA). Przy podziałach komórkowych kopie genów są przekazywane nowym komórkom, a w wyniku rozmnażania organizmów kolejnym generacjom.

Jeden gen może kodować pojedynczy łańcuch polipeptydowy lub jedną cząsteczkę tRNA, czy rRNA. Większa liczba łańcuchów musi być kodowana przez większą liczbę genów. Geny ułożone są liniowo w strukturach zwanych chromosomami. W ich ułożeniu musi być zachowana odpowiednia kolejność, aby możliwe było odczytanie informacji genetycznej niezbędnej do syntezy białek i cząsteczek kwasu rybonukleinowego (RNA). Geny mogą występować u innych organizmów (bakterie), które nie mają chromosomów w ścisłym tego słowa znaczeniu. Geny spotykane są też u wirusów.

Podział genów można przeprowadzać według różnych założeń. Jeśli brać pod uwagę cechy fenotypu (zewnętrzne) i ich nasilenie wyróżnia się np. geny:

  • Dominujący i recesywny
  • Epistatyczny i hipostatyczny
  • Wielokrotny (poligeny)

Jeśli rozpatrywać sposób działania genów, to możemy mówić o genach strukturalnych i regulatorowych. Te pierwsze niosą informację o syntezie białek, a drugie wpływają (regulują) na aktywność tych pierwszych.

Należy również zwrócić uwagę na różnice występujące w sekwencji genu między organizmami nie zawierającymi jądra komórkowego (prokariota) a tymi z jądrem komórkowym (eukariota). U eukariontów występują odcinki niekodujące sekwencji polipeptydu, czyli tzw. introny. Rozdzielają one części kodujące - eksony. U prokariontów nie występuje podział na odcinki kodujące i niekodujące, tam mamy do czynienia z ciągła sekwencją.

Genom człowieka

Zawiera od pięćdziesięciu do stu milionów genów, które są rozłożone na dwudziestu trzech chromosomach. Długość genomu wynosi trzy miliardy par zasad. Każdy chromosom to cząsteczka DNA (dwuniciowa) zawierająca średnio pięćdziesiąt pięć do dwustu pięćdziesięciu par zasad. Interesujący jest fakt, że w naszym genomie geny stanowią tylko dwadzieścia pięć procent całego DNA, reszta to tak zwany DNA poza genowy, którego funkcja nie została jeszcze określona.

Biosynteza białek

Proces ten zachodzi w każdej żywej komórce i polega na wytworzeniu nowych cząsteczek białek. Aminokwasy łączą się w łańcuchy polipeptydowe z zachowaniem odpowiedniej sekwencji. Sekwencja ta decyduje jakie białko powstanie i w jakiej ilości. Bardzo dokładnie jest też określona szybkość biosyntezy. W wyniku tego procesu powstają np. enzymy i hormony białkowe odpowiedzialne za przemianę materii u organizmów.

Informacja o strukturze białka, czyli o ich właściwościach, jest niesiona przez geny w jądrze komórkowym. Biosynteza jest procesem endoenergetycznym, czyli wymagającym dostarczenia energii. U ssaków zachodzi najszybciej w gruczołach mlecznych i ścianie jelita oraz w wątrobie, gdzie powstaje prawie 50% wszystkich białek.

Sam proces tworzenia składa się z kilku części. Pierwsza z nich to transkrypcja, która polega na przekazaniu informacji o sekwencji aminokwasów z DNA do RNA. Ten etap ma miejsce w jądrze komórkowym. U eukariontów RNA jest cięte na kawałki i ponownie składane i tak przygotowana matryca przedostaje się do cytoplazmy, gdzie zostanie odczytana informacja genetyczna. W cytoplazmie następuje aktywacja aminokwasów za pomocą adenozynotrifosforanu. Powstają połączenia aminokwasów i RNA i układają się na matrycy mRNA w odpowiedni sposób. Jest to proces translacji, który przebiega w rybosomach znajdujących się w cytoplazmie. Sąsiadujące ze sobą aminokwasy łączą się w wiązania peptydowe i tworzą łańcuch polipeptydowy, który wydłuża się w miarę zachodzenia procesu.

Gdy zostanie przekazana informacja o zakończeniu procesu, białko oddziela się od rybosomu

i przyjmuje odpowiedni kształt (strukturę) w przestrzeni, może ulegać dalszym przekształceniom potranslacyjnym.

Mutacje

Sekwencja nukleotydów w cząsteczce DNA odpowiedzialnych za przekazywanie cech może ulec zmianom (mutacjom) i uszkodzeniom pod wpływem różnych czynników zwanych mutagenami. Promieniowanie radioaktywne i różne związki chemiczne to tylko dwa przykłady takich mutagenów, które przyspieszają mutacje komórkowe. Mutacje mogą być powodowane przez różne czynniki fizyczne, chemiczne, czy błędy w samej replikacji kwasu dezoksyrybonukleinowego. Mutacje mogą dotyczyć małych obszarów (są tzw. mutacje punktowe) lub większych, czyli mogą zachodzić w pojedynczym genie lub całym chromosomie, zmieniając jego strukturę i budowę.

O rodzaju mutacji i powodowanych skutkach decyduje genotyp lub fenotyp.

Mutacja może mieć charakter letalny, czyli powodować śmierć komórki we wczesnym stadium rozwoju. Może także przekształcać zdrowe komórki w nowotworowe. Mutacje powodujące zmiany nowotworowe mogą zachodzić pod wpływem np. dymu tytoniowego, spalin czy grzybów pleśniowych.

Mutacje są odpowiedzialne za choroby dziedziczne takie, jak zespół Downa, objawia się zaburzeniami w rozwoju fizycznym i psychicznym. Jej przyczyną jest obecność dodatkowego trzeciego chromosomu 21 (trisomia). Ludzie dotknięci tą chorobą cechują się niskim wzrostem, skośnymi oczami, problemami w rozwoju ruchowym i umysłowym.

Anemia sierpowata jest kolejną chorobą wywoływaną mutacjami i jest dziedziczona. Pod wpływem mutagenów może rozwinąć się nowotwór skóry lub krwi (białaczka).

Dziedziczność i choroby

Jest proces polegający na przekazywaniu określonych cech anatomicznych i fizjologicznych potomstwu przez organizmy macierzyste. To warunkuje, ze dzieci są podobne do swoich rodziców, dziadków czy rodzeństwa. Na podstawie znajomości zasad dziedziczenia można przypuszczać (z mniejszym lub większym prawdopodobieństwem) jak będą wyglądały kolejne pokolenia.

Dane cechy są przekazywane przez geny dominujące lub recesywne. Genem dominującym jest ten odpowiedzialny np. za kręcone włosy czy kolor oczu. Genem recesywnym jest ten odpowiedzialny za daltonizm (nie rozróżnianie koloru czerwonego i zielonego) i hemofilię (zaburzenia krzepnięcia).

Rodzic przekazuje dziecku w swoich genach nie tylko choroby (wady), przekazuje np. tak ważną dla organizmu odporność.

Dzięki dziedziczności organizm potomny jest tak ukształtowany, że do swego życia i rozwoju wymaga podobnych warunków jak jego przodkowie.

Należy rozróżniać choroby dziedziczne wrodzone za które odpowiedzialne są geny rodziców od wad wrodzonych niedziedzicznych w wyniku nieprawidłowego rozwoju w życiu płodowym.

Przyczyną chorób dziedzicznych są zmutowane geny lub brak jakiegoś genu, może to być również nieprawidłowa liczba chromosomów. Uważa się, że powstawanie mutacji w genach jest często kwestią przypadku. Przy powstawaniu nowych genów przez kopiowanie genów istniejących, gdy proces jest powtarzany w ciągu całego życia, nie da się uniknąć błędów. Jeśli nie są w porę wyeliminowane zostaną przekazane potomstwu podczas zapłodnienia i tak do kolejnych pokoleń. Jednakże należy wziąć pod uwagę fakt, że gdyby nie powstawanie nowych genów i ich zmiany proces ewolucji nie mógłby zachodzić.

Problem dziedziczenia jest bardzo złożony. Nie wpływa na niego tylko omówiona wyżej dominacja i recesywność genów. Jest to także uzależnione od stopnia penetracji, który może być silny lub słaby. Np. zgięcie palców jest kodowane przez gen dominujący, jednak u danej osoby zgięcie to może być poważne i mówi się wówczas o penetracji pełnej albo może dotyczyć jednego palca (penetracja słaba). Mamy do czynienia również z genami współdziałającymi odpowiedzialnymi za takie cechy jak wzrost czy poziom intelektualny i wtedy efekt ich działania jest trudniejszy do ocenienia.

Natomiast już wspomniana hemofilia jest opisana przez jedną parę genów i są przekazywane z pokolenia na pokolenie, dlatego można określić prawdopodobieństwo jej wystąpienia u potomstwa. Choroba ta dotyczy ok. 1% nowonarodzonych dzieci. Zagrożenie tą chorobą w danej rodzinie wzrasta jeśli para posiada już dziecko z tą wadą. Procent wykrywalności wady jest zależny od tego czy u krewnych wystąpiła dana choroba lub nosicieli uszkodzonego genu. Bada się również komórki krwi i chromosomy w poszukiwaniu wszelkich odchyleń od standardowych parametrów.

Zagrożenie dzieci daną chorobą dziedziczną zależy także od takich czynników jak wiek matki. Udowodniono, że kobiety powyżej 35 roku życia rodzą częściej dzieci cierpiące na zespół Downa. U kobiet 20-letnich zespół ten występuje średnio raz na 1200 przypadków, podczas gdy u czterdziestolatek jest to już stosunek 1:50. możliwe jest wcześniejsze wykrycie choroby, bo już w czasie ciąży. Przeprowadza się odpowiedni test - punkcję owodni (pobiera się do badania płyn otaczający embrion).

Istnieje jeszcze kontrola przez sam organizm. Jeśli embrion ma bardzo uszkodzone chromosomy i nie rozwija się prawidłowo to może zostać usunięty samoczynnie z organizmu (poronienie).

W niektórych chorobach dziedzicznych możliwe jest leczenie. W hemofilii podaje się preparaty na bazie krwi zdrowych osób, zwiększające krzepliwość krwi. W fenyloketonurii (polega na braku jednego aminokwasu, może prowadzić do uszkodzenia mózgu) wystarczy przestrzegać odpowiedniej diety. Zespół Dwona i daltonizm w tej chwili nie są uleczalne.

Ciągle prowadzone są badania nad możliwością naprawy uszkodzonych chromosomów i zmianą materiału genetycznego w plemnikach i komórkach jajowych.

Dowody dziedziczności

Naukowcy znaleźli potwierdzenie, że DNA jest nośnikiem informacji genetycznej (substancją dziedziczną) w oparciu o procesy zachodzące u bakterii.

Są to 3 procesy:

  • Transformacja

To zmiana cech dziedzicznych biorcy, czyli danego szczepu bakterii pod wpływem DNA dawcy (inny szczep) o innych cechach. Biorca wbudowuje odcinki DNA dawcy we własny kwas dezoksyrybonukleinowy. Komórki biorcy przyjmują część cech komórek dawcy. Proces został zaobserwowany przez F. Griffith'a w 1928 roku, a wyjaśniony przez O.T. Avery, C.M. Macleod i M. McCarthy w 1944 roku. Te badania pozwoliły na uznanie w późniejszych latach DNA za podstawę dziedziczności.

Obecnie za transformację uważa się wprowadzenie DNA do komórek danego organizmu przy użyciu różnych metod takich np., jak: wektory plazmidowe lub wirusowe, wstrzykiwanie DNA do jąder za pomocą mikropipet, wstrzeliwanie do komórek DNA na powierzchni cząsteczek złota i innych metali.

Transformatory, czyli komórki transformowane są przygotowywane na odpowiednich pożywkach. Rozróżnia się transformatory trwałe (obcy DNA włączany do genomu biorcy) lub nietrwałe (obcy DNA nie jest włączany do genomu biorcy). Mówi się również o transformacji homologicznej, gdy obcy kwas DNA wchodzi w miejsce homologicznego genu biorcy. Z transformacją heterologiczną mamy do czynienia gdy to miejsce jest inne.

W wyniku transformacji otrzymuje się organizmy (zwierzęta, rośliny) transgeniczne, czyli zawierające obce geny lub inne odcinki DNA.

  • Transdukcja

To proces przenoszenia DNA z komórki bakteryjnej do drugiej przy pomocy bakteriofagów. Część DNA bakterii zostaje przyłączone do płaszcza białkowego (kapsydu) bakteriofaga lub do jego DNA. Bakteriofag wnika do komórki bakterii innego szczepu i włącza te fragmenty do ich DNA. W ten sposób są przekazane cechy dawcy.

  • Koniugacja

Komórka bakterii pobiera (za pomocą mostka cytoplazmatycznego) część skopiowanego DNA od dawcy i włącza go do swoich chromosomów. W ten sposób możliwe jest zapewnienie różnorodności szczepów bakterii.

Historia DNA

Od dawna było oczywiste, że zachodzi związek między rodzicami a potomstwem przejawiający się przede wszystkim podobieństwem w wyglądzie zewnętrznym. Odkrycie sposobu przekazywania i nośnika tych cech było przedmiotem badań wielu naukowców.

Już w 1865 roku G. Mendel (zakonnik z Moraw) przedstawił wyniki długich obserwacji nad przekazywaniem cech u groszku ogrodowego. Metody dziedziczenia rozpoznane u tej rośliny zostały ujęte w prawa Mendla. Potrzeba było jednak prawie 80 lat, aby wykazać przenoszenie cech dziedzicznych z jednej komórki do innej. Dokonano tego w 1944 roku (amerykański biochemik O. Avery z zespołem) na przykładzie szczepów bakterii (dodanie oczyszczonego kwasu nukleinowego z jednego szczepu do drugiego powoduje przejście cech dawcy do biorcy). Później odkryto, że ten kwas to właśnie DNA.