• jak zbudować jakieś białko (tzn. w jakiej kolejności połączyć aminokwasy w ciągły łańcuch)
• w jakich okolicznościach (warunkach) należy to białko tworzyć 
• z jaką intensywnością i przez jaki czas je wytwarzać
• do jakiego przedziału komórki je przesyłać (np. do mitochondriów czy do wakuoli)
• u organizmów tkankowych także informację o tym w których tkankach, w jakiego typu komórkach dany produkt ma powstawać.

 

 

 

 
Badania nad chemiczną istotą genów i mechanizmami rządzącymi dziedziczeniem rozpoczęły się dopiero w połowie XX wieku, kiedy to grzyby, bakterie i wirusy zastąpiły w roli obiektów doświadczalnych rośliny i zwierzęta. To dzięki tym stosunkowo prostym formom życia stwierdzono, że kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), kwas rybonukleinowy (RNA) oraz białka to uniwersalne czynniki określające cechy istot żywych. Szybko czyniono wielkie postępy w wyjaśnieniu mechanizmów dziedziczenia u grzybów, bakterii i wirusów, ponieważ cechy biologiczne tych organizmów ułatwiały analizę ich podłoża genetycznego. Wnioskiem płynącym z tych badań była koncepcja genu jako informacji – takiej, która rządzi wzrostem i zachowaniem istot żywych oraz decyduje o ich cechach. Koncepcja ta zakładała zarazem, że wszystkie żywe istoty dysponują mechanizmem rozszyfrowującym albo „odczytującym” informację genetyczną, a geny przechowują stale tę informację, aby rodzice mogli przekazać ją swemu potomstwu.

• genetyka molekularna bada dziedziczenie na poziomie cząsteczkowym (DNA, RNA, transkrypcja);
• genetyka klasyczna bada dziedziczenie na poziomie osobników - jak różne geny i interakcje między nimi oddziałują na fenotyp;
• genetyka populacyjna bada dziedziczenie na poziomie populacji;
• genetyka ekologiczna zajmuje się współoddziaływaniem dziedziczenia w ekosystemach i następczą częstotliwością alleli;
•  genomika analizuje sekwencje genomów.

  Tak to się zaczęło:

• 1859 Karol Darwin publikuje O powstawaniu gatunków.
• 1865 Grzegorz Mendel upowszechnia Badania nad mieszańcami roślin.
• 1900 ponowne odkrycie zasad dziedziczenia, niezależnie, przez Corrensa, Tschermaka i de Vriesa.
• 1903 Hugo de Vries odkrywa mutacje.
• 1903 odkrycie, że za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy, niezależnie przez: Waltera Suttona i Theodora Boveri.
• 1910 odkrycie, że chromosomy składają się z genów.
• 1913 pierwsza mapa genowa ukazuje geny ułożone liniowo na chromosomie - Alfred H. Sturtevant i Thomas Morgan.
• 1927 zmiany fizyczne w obrębie chromosomów zostają skorelowane z mutacjami - Thomas Morgan.
• 1928 Frederick Griffith odkrywa transformację.
• 1931 Crossing over jest przyczyną rekombinacji.
• 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod i Maclyn McCarty otrzymują wynik sugerujący, że to DNA, a nie białka, jest nośnikiem dziedziczności w ekserymencie Griffitha.
• 1944 Erwin Schrödinger, na podstawie czysto teoretycznych rozważań, proponuje molekularny mechanizm dziedziczności, tzw. kryształ aperiodyczny. W przyszłości zostało potwierdzone, że DNA ma właściwości przewidziane przez Schrödingera.
• 1950 zasada Chargaffa: ilość adenin w DNA równa się ilości tymin, ilość guanin równa się ilości cytozyn. Odkrycie to miało fundamentalne znaczenie dla oznaczenia struktury DNA.
• 1952 Martha Chase i Alfred Hershey potwierdzają, że DNA jest nośnikiem dziedziczności .
• 1953 James Watson i Francis Crick, bazując na danych dyfrakcji promieni X otrzymanych przez Rosalind Franklin i zasadzie Chargraffa rozwiązują strukturę przestrzenną DNA. Model ten w naturalny sposób implikuje molekularny mechanizm dziedziczności.
• 1961 odkrycie zasad kodu genetycznego przez Holley'a, Khoranę i Nirenberga.
• 1977 opracowanie metody sekwencjonowania DNA przez zespoły badawcze Waltera Gilberta i Fredericka Sangera.
• 1986 Walter Gilbert i James Watson proponują ideę zsekwencjonowania genomu człowieka. Gilbert, argumentując, że technologia sekwencjonowania DNA rozwija się z prawem Moore'a, przewiduje, że genom zostanie zsekwencjonowany około roku 2000.
• 1997 sekwencjonowanie pierwszego genomu.
•  2000 18 maja Nature publikuje artykuł zawierający dokładne dane na temat budowy chromosomu 21 u człowieka.
• 2001 powstają pierwsze szkice sekwencji ludzkiego genomu w wyniku rozpoczęcia prac Human Genome Project.
• 2003 międzynarodowe konsorcjum naukowców ogłosiło oficjalne zakończenie prac nad poznaniem genomu ludzkiego.

Cząsteczki przenoszą informację

Na początku lat pięćdziesiątych XX wieku odwieczne pytania o zasady dziedziczenia zostało sformułowane w języku chemii:

• w jaki sposób cząsteczki DNA powielają się i rekombinują;
• dlaczego mutacje zachowują się w kolejnych pokoleniach;
• w jaki sposób informacja genetyczna przesądza o budowie struktur biologicznych i procesach chemicznych zachodzących w komórkach;
• czy przepływ informacji zawartej w DNA jest regulowany w trakcie wzrostu komórki, rozwoju i podczas innych procesów fizjologicznych;
• w jaki sposób procesy te zmieniają się podczas choroby?

Ogromny postęp badań nad organizmami prokariotycznymi, jaki dokonał się w pierwszej połowie tego okresu, przyniósł odpowiedzi na wiele podstawowych pytań.

W procesach genetycznych najważniejszą rolę odgrywają trzy rodzaje cząsteczek:

DNA, RNA i białka.

W DNA występują cztery różne nukleotydy. Są one podobne do siebie, ale jednocześnie wystarczająco różne, by były rozpoznawalne w procesach, w których są wykorzystywane.

Nić RNA jest bardzo podobna do pojedynczej nici DNA. Są jednak między nimi istotne różnice. Po pierwsze, cukier zawarty w RNA to ryboza, a nie deoksyryboza (ryboza zawiera grupę –OH w miejscu atomu wodoru deoksyrybozy). Po drugie, zamiast tyminy (t) RNA zawiera uracyl (u). Nici RNA mają różną długość: od około 100 do kilku tysięcy nukleotydów. Nukleotydy połączone są tak samo jak w DNA: grupa fosforanowa łączy atom węgla 5'-rybozy z atomem 3'-rybozy sąsiedniego nukleotydu.

Żeby ciągłość genetyczna między pokoleniami została zachowana, DNA musi być powielany i przekazywany nowym komórkom podczas cyklu podziałowego. Replikacja DNA jest procesem, podczas którego cząsteczka rodzicielska jest podwajana przed przekazaniem jednej z kopii DNA każdej z nowo powstających komórek. Replikacja powinna odznaczać się dużą wiernością, aby nie dochodziło do przekazania błędnej informacji. Co więcej, uszkodzenie (na przykład spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym) oraz przypadkowe błędy (jak wprowadzenie niewłaściwego nukleotydu) w czasie replikacji DNA i pomiędzy cyklami replikacyjnymi powinny być usunięte, a nie przekazane potomnym komórkom. DNA podlega wielu procesom: replikacji, naprawy uszkodzeń, rekombinacji oraz rearanżacji. Dzięki nim organizmy mogą zachować i modyfikować swoje genomy.

Informacja genetyczna przenoszona przez DNA jest zapisana w kolejności ułożenia czterech różnych nukleotydów. Jest to sposób podobny do przedstawiania informacji pisanej w postaci kolejnych liter wydrukowanych na stronie książki. Tak jak zdanie zawiera pewną myśl, tak gen, będąc fragmentem cząsteczki DNA, zawiera jednostkę informacji genetycznej. Komórki muszą rozszyfrować informację, aby mogła ona ujawnić się w postaci odpowiedniej cechy. Na odczytywanie informacji składa się wiele procesów. Noszą one łączne miano ekspresji (wyrażania) genów. W pierwszym etapie różne nukleotydy tworzące gen są przepisywane na cząsteczkę pokrewnego kwasu nukleinowego – RNA. Proces ten nosi nazwę transkrypcji (przepisania genów). W drugim etapie cząsteczka RNA kieruje produkcją innego rodzaju cząsteczki – cząsteczki białka – w procesie zwanym translacją (tłumaczeniem).

Kolejność nukleotydów RNA określa naturę powstającego białka. Ponieważ kolejność nukleotydów w każdym genie (a więc i w powstającym na jego bazie RNA) jest inna, każdy z nich determinuje wytwarzanie innego białka. Często, w uproszczeniu, mówi się, że gen koduje białko. Charakterystyczne cechy komórki i organizmu zależą więc od liczby i rodzajów białek odczytanych z obecnego w nich DNA.

DNA jest przepisywany na kilka rodzajów RNA, z których tylko jeden ulega translacji na białko. Inne uczestniczą w różnych procesach komórkowych towarzyszących syntezie białka.

Zasadniczo informacja w komórce płynie w jednym kierunku: od DNA do RNA i do białka. W pewnych szczególnych przypadkach możliwy jest przepływ w kierunku odwrotnym – od RNA do DNA – w procesie zwanym odwrotną transkrypcją. Nic natomiast nie wiadomo o tym, aby informacja zawarta w białkach mogła stać się podstawą do wytwarzania odpowiadających im kwasów nukleinowych – czyli, innymi słowy, o odwrotnej translacji. Niemniej jednak, jak zobaczymy w dalszym ciągu, białka są najważniejszymi uczestnikami procesów przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, oraz procesów syntezy nowych cząsteczek białkowych.

Podstawową cechą procesu przekazywania informacji między kwasami nukleinowymi, zarówno w przypadku replikacji, transkrypcji, jak i odwrotnej transkrypcji, jest odgrywanie przez kwas nukleinowy roli matrycy dla nowo syntezowanej nici o właściwej kolejności nukleotydów. Najważniejsza zasada polega na tym, że porządek nukleotydów A, T, G i C w istniejącej nici-matrycy określa jednoznacznie porządek nici powstającej.

Do zrozumienia zależności między informacją zawartą w cząsteczkach DNA, RNA i białek konieczne są pewne wiadomości na temat ich budowy, ponieważ replikacja DNA i odszyfrowanie informacji genetycznej, podobnie jak wszystkie procesy podtrzymujące życie komórki, są reakcjami chemicznymi. Rozdział ten opisuje najważniejsze właściwości strukturalne makrocząsteczek uczestniczących w procesach dziedziczenia. Informacje te są konieczne dla zrozumienia opisanej w dalszym ciągu roli tych cząsteczek w replikacji DNA i ekspresji genów. Podstawowe właściwości strukturalne DNA, RNA i białek są takie same we wszystkich żywych organizmach, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych.

Kod genetyczny

Złamanie kodu genetycznego jest jednym z największych osiągnięć biologii. Wczesne próby poznania jego natury polegały na rozważaniach teoretycznych i eksperymentach genetycznych. W pierwszej połowie lat pięćdziesiątych podejrzewano już, że występuje liniowa zależność między nukleotydami w genie a aminokwasami w kodowanym przezeń białku.

Liniowa zależność między parami zasad DNA, nukleotydami RNA i aminokwasami polipeptydu

Sądzono też, że podobny związek zachodzi między mRNA a DNA. Wyniki doświadczeń genetycznych pozwalały przypuszczać, że jednostka kodująca każdego aminokwasu składa się z trzech kolejnych nukleotydów w RNA; taką jednostkę kodującą określono mianem kodonu. Co więcej, uważano, że kolejne kodony wyznaczają kolejne aminokwasy w białku. Jednak wydawało się, że pozostanie bez odpowiedzi pytanie: które z 64 tripletów (z czterech nukleotydów można bowiem ułożyć 64 kombinacje zawierające trzy nukleotydy) wyznaczają każdy z 20 aminokwasów. Było więc zaskoczeniem, gdy odpowiedź nadeszła szybko dzięki opracowaniu nowej metody badawczej i pewnemu interesującemu, choć przypadkowemu odkryciu. Badania biochemiczne prowadzone w latach pięćdziesiątych wykazały, że wyciąg z komórek E. coliE. coli cząsteczki RNA zbudowane wyłącznie z nukleotydów urydylowych, można uzyskać polipeptyd złożony wyłącznie z jednego aminokwasu, fenyloalaniny. Wyciągnięto więc wniosek, że kodon UUU koduje fenyloalaninę. Oczywiście okazało się szybko, że i inne cząsteczki RNA zawierające tylko jeden z pozostałych trzech nukleotydów kodują polipeptydy złożone z aminokwasów jednego rodzaju. I tak RNA złożony z nukleotydów adenylowych produkuje polipeptyd zawierający wyłącznie aminokwas lizynę (kodon AAA).

Następnych kilka lat doświadczeń z różnymi cząsteczkami RNA zawierającymi losowo ułożone sekwencje pozwoliły rozszyfrować skład kodonów. Badania usprawniło opracowanie metody syntezy RNA o określonej sekwencji nukleotydowej – stwierdzono wówczas, że takie cząsteczki RNA kodują białko o konkretnej sekwencji aminokwasowej. Następnym krokiem było zsyntetyzowanie wszystkich 64 kodonów i wykazanie, że każdy z nich wyznacza jeden z 20 aminokwasów lub jest znakiem sygnalizującym rozpoczęcie lub zakończenie translacji.

W 1964 roku poznano cały kod genetyczny. Każdy kodon składa się z trzech sąsiadujących w łańcuchu DNA lub mRNA nukleotydów. Spośród 64 tripletów nukleotydowych 61 wyznacza aminokwasy; każdy z kodonów odpowiada tylko jednemu aminokwasowi. Jeden z tych tripletów (ATG w DNA i – odpowiednio – AUG w RNA) ma podwójne zadanie. Koduje aminokwas metioninę oraz wyznacza początek sekwencji kodującej białko – jest to tak zwany kodon start. Trzy triplety: TAG (UAG), TAA (UAA) i TGA (UGA) nie wyznaczają żadnego aminokwasu, natomiast każdy z nich sygnalizuje zakończenie sekwencji kodującej białko – są to kodony stop.

O kodzie genetycznym mówi się, że jest zdegenerowany, ponieważ więcej niż jeden kodon wyznacza ten sam aminokwas, ale – co bardzo ważne – kod nie jest dwuznaczny, ponieważ pojedynczy kodon nigdy nie wyznacza więcej niż jednego aminokwasu. Z taką wiedzą o kodzie genetycznym łatwo na papierze napisać sekwencję aminokwasów białka z dowolnej sekwencji nukleotydowej DNA lub RNA. Zazwyczaj w każdym rejonie długiej podwójnej helisy tylko jedna z dwóch nici DNA zawiera informację genetyczną tłumaczoną na białko. Z zasady sekwencja nici komplementarnej do kodującej jest „nonsensowna”; jednak czasami może zawierać część innego genu. Zauważmy jednak, że to właśnie nić nonsensowna jest matrycą do syntezy mRNA. Podczas syntezy powstaje nić komplementarna do matrycy – nić mRNA.

Początek łańcucha mRNA odpowiada miejscu, w którym rozpoczyna się transkrypcja DNA, a koniec mRNA jest tam, gdzie ona się kończy. Ze względu na wymagany kierunek transkrypcji mRNA w trakcie translacji czytany jest od końca 5' do 3'.

Sekwencja nukleotydowa mRNA jest taka sama jak sensownej nici DNA. Transkrypcja genu przy udziale polimerazy RNA zaczyna się z reguły w miejscu położonym nieco przed odcinkiem kodującym białko i kończy za kodonem stop, tak więc mRNA ma dodatkowe odcinki po obu stronach segmentu kodującego.       Wyznacznikiem początku sekwencji kodującej białko jest triplet AUG (kodon start) położony w pobliżu 5' końca nici mRNA, co znaczy, że wszystkie białka rozpoczynają się od metioniny, aminokwasu kodowanego przez AUG. Koniec odcinka kodującego jest sygnalizowany przez jeden z trzech kodonów stop: UAG, UAA lub UGA, położonych w pobliżu 3' końca mRNA. Ostatni aminokwas w białku jest więc zakodowany w triplecie poprzedzającym kodon stop.

Jak aminokwasy dopasowują się do odpowiednich kodonów?

Nie są znane chemiczne podstawy bezpośredniego kontaktu. Dochodzi jednak do tego dzięki enzymowi przyłączającemu każdy aminokwas do odpowiedniego RNA transportującego (tRNA). Każdy odmienny tRNA zawiera trójnukleotydową sekwencję (antykodon) komplementarną do odpowiedniego tripletu kodującego aminokwas w mRNA. Wytworzenie par zasad między antykodonem tRNA przenoszącego aminokwas a kodonem mRNA ustawia każdy aminokwas na właściwej pozycji, przy odpowiednim kodonie i ułatwia połączenie aminokwasu z rosnącym łańcuchem polipeptydowym. Poniżej przedstawimy w skrócie, w jaki sposób tRNA niosący swój aminokwas bierze udział w syntezie łańcuchów polipeptydowych.

Chcesz wiedzieć więcej?

Przeczytaj książkę Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer, z której pochodzą w większości te ciekawe informacje oraz odwiedź strony internetowe:

 
http://pl.wikipedia.org/wiki/Genetyka

http://pl.wikipedia.org/wiki/Gen

http://en.wikipedia.org/wiki/RNA

http://www.wiw.pl/biologia/genetyka/

http://www.biomedical.pl/genetyka/