1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej zapisana w DNA

Transkrypt

Elementy genetyki
1. DNA - podstawowy nośnik i n f o r m a c j i
genetycznej
1.1. Informacja o budowie i funkcjonowaniu organizmu
zapisana w DNA
początki genetyki
jako nauki
Istotą genetyki jest badanie dziedziczności i związanej z nią zmienności organizmów. Genetyka jest obecnie jednym z najbardziej popularnych i najszybciej rozwijających się działów biologii. Niezwykle burzliwy
rozwój genetyki nastąpił jeszcze w poprzednim stuleciu.
Zrozumienie zjawiska dziedziczności jest o wiele wcześniejsze niż wyodrębnienie się genetyki jako samodzielnej dyscypliny naukowej. Codziennie spotykamy efekty pracy wielu pokoleń hodowców, którzy nie
znając podstaw naukowych procesu dziedziczenia, prowadzili hodowle
różnych zwierząt i roślin. Na przykład z udomowionego wilka uzyskali
wszystkie znane dziś rasy psów - od jamników po dogi i bernardyny. Podobnie w hodowlach roślin - otrzymywano truskawki z poziomek
i współczesne odmiany zbóż z ich dziko rosnących przodków.
Nie rozumiano jednak materialnego podłoża dziedziczenia, czyli tego, co i w jaki sposób jest przekazywane z pokolenia na pokolenie. Poczynania hodowców były w pewnym stopniu intuicyjne - wybierano
osobniki o pożądanych cechach i krzyżowano je ze sobą. Wśród potomstwa znowu wybierano osobniki, na przykład o krótszych łapach (aby
uzyskać jamniki) lub o większych owocach (aby otrzymać truskawki)
i kontynuowano ten proces aż do osiągnięcia pożądanego skutku.
Nośnikiem informacji genetycznej jest kwas deoksyrybonukleinowy.
doświadczenia
na bakteriach
wywołujących
zapalenie ptuc
Na przełomie XIX i XX wieku zaczęła się rozwijać cytologia (nauka
o komórce) oraz biochemia. Na podstawie badań budowy i składu chemicznego komórki dowiedziono wówczas, że we wszystkich komórkach
obecne są takie substancje organiczne, jak białka, tłuszcze, węglowodany
oraz kwasy nukleinowe. Nie było jednak wiadomo do końca, jakie funkcje
pełnią one w komórce.
Dopiero kiedy w latach dwudziestych i czterdziestych XX wieku przeprowadzono doświadczenia na bakteriach - dwoinkach zapalenia płuc - odkryto, w jakiej substancji chemicznej zapisana jest informacja genetyczna. Do
badań wykorzystano dwa szczepy dwoinki zapalenia płuc: zjadliwy (wywołujący u myszy zapalenie płuc) oraz łagodny (który tego zapalenia nie
wywoływał). Komórki szczepu zjadliwego mają charakterystyczne otoczki, komórki szczepu łagodnego - ich nie mają.
W pierwszej serii doświadczeń myszom podawano bakterie zjadliwe
(z otoczkami) oraz bakterie łagodne (niemające otoczek). Stwierdzono
wówczas między innymi, że podanie razem martwych bakterii z otoczkami i żywych bakterii bez otoczek powodowało zapalenie płuc.
1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej
To oznaczało, że bakterie nieżywe przekazywały bakteriom żywym informację o zjadliwości. Nadal jednak nie było wiadomo, czym jest ta informacja, to znaczy nie określono, jaki składnik bakterii zabitych przekazywał bakteriom żywym niejako instrukcję „bądźcie zjadliwe" (ryc. 1).
żywe bakterie zjadliwe
żywe bakterie łagodne
l
żywe bakterie łagodne
i zabite zjadliwe
zmiana
i
brak o b j a w ó w choroby
p o j a w i e n i e się ż y w y c h bakterii
zjadliwych; choroba
Ryc. 1. S c h e m a t d o ś w i a d c z e ń z m y s z a m i z a k a ż o n y m i d w o i n k ą z a p a l e n i a p t u c
W późniejszych doświadczeniach zabite dwoinki zapalenia płuc
z otoczką poddano działaniu różnych enzymów rozkładających białka,
kwasy nukleinowe, węglowodany albo tłuszcze. Następnie ponownie
martwe bakterie, pozbawione jednego składnika, mieszano z bakteriami
żywymi, niemającymi otoczki. Tylko zniszczenie kwasów nukleinowych,
a ściślej kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA (ang. deoxyribonucleic acid), powodowało brak choroby u myszy. To oznacza, że DNA zabitych bakterii przekazywał informację bakteriom żywym (ryc. 2).
bez
zmian
+
martwe bakterie
z otoczką
(z r o z t o ż o n y m
DNA)
żywe
bakterie
bez otoczki
(niezjadliwe)
żywe
bakterie
bez
otoczki
I wykazanie
podstawowej
funkcji ONA
+
m a r t w e bakterie, w których nie r o z ł o ż o n o DNA,
lecz rozłożono inne substancje, np. białko
zmiana
żywe bakterie
bez otoczki
(niezjadliwe)
żywe
bakterie
z otoczką
(zjadliwe)
Ryc. 2 . S c h e m a t d o ś w i a d c z e n i a p o l e g a j ą c e g o na m i e s z a n i u r ó ż n y c h s z c z e p ó w : A - g d y r o z ł o ż o n o D N A ,
B - g d y nie r o z ł o ż o n o D N A w b a k t e r i a c h z o t o c z k ą .
A zatem fakt, że informacja genetyczna jest zapisana w DNA, wykazano w dwóch seriach dobrze przemyślanych doświadczeń.
W jakiś sposób w kwasie deoksyrybonukleinowym zawarta była instrukcja, jak łagodne bakterie mają stać się zjadliwe, czyli jak mają wytworzyć otoczkę chroniącą komórki bakterii przed mechanizmami
obronnymi myszy. Wyniki tych badań, mimo że opublikowane w poważnym czasopiśmie naukowym, nie wzbudziły szczególnego zainteresowania. Może stało się tak dlatego, że praca pojawiła się podczas II wojny
światowej, a może dlatego, że wielu naukowców za materiał genetyczny
uważało wówczas raczej białka - cząsteczki o strukturze bardziej złożonej od kwasów nukleinowych.
9
Elementy genetyki
1.2. Budowa i replikacja DNA
Wyjaśnienie struktury DNA było wielkim osiągnięciem naukowym.
model budowy
DNA
Rok 1953 był przełomowy w biologii. W tym czasie James Watson
i Francis Crick (ryc. 3), na podstawie badań strukturalnych Maurice Wilkinsa i Rosalind Franklin, zaproponowali model budowy kwasu deoksyrybonukleinowego (ryc. 4). D N A zbudowany jest z czterech prostszych jednostek, zwanych
nukleotydami: adeninowego (A), tyminowego (T), guaninowego (G) i cytozynowego (C). Każdy nukleotyd
zbudowany jest z odpowiedniej zasady azotowej (adeniny, tyminy, guaniny albo cytozyny), połączonej z pięciowęglowym cukrem - deoksyrybozą - oraz z resztą kwasu
fosforowego (P) (ryc. 4C). W większości wypadków
D N A złożony jest z dwóch nici leżących naprzeciwko
siebie, przy czym każda nić to długi łańcuch nukleotydów (DNA jest więc dwuniciowym polinukleotydem).
Ryc. 3 . J a m e s W a t s o n i Francis Crick
cechy budowy
XT.
.
,
,
.
.
.
.
Nici są ze sobą połączone wiązaniami wodorowymi.
Wiązania te powstają między parami zasad azotowych według bardzo
prostych reguł wynikających ze struktury tych zasad. Tak więc adenina
zawsze łączy się z tyminą (A = T), zaś cytozyna z guaniną (C = G). W ten
sposób jedna nić D N A wyznacza budowę drugiej nici, mówimy zatem, że
dwie nici są komplementarne, czyli wzajemnie się uzupełniające.
Ze względu na formę przestrzenną dwuniciowa cząsteczka D N A nosi
nazwę podwójnej helisy. Pod takim tytułem (Podwójna helisa) Watson
wydał wspomnienia o odkryciu budowy DNA*.
nukleotyd adeninowy
Ryc. 4 . D w u n i c i o w a c z ą s t e c z k a D N A w y g l ą d e m p r z y p o m i n a s k r ę c o n ą d r a b i n ę : A - z d j ę c i e m i k r o s k o p o w e
DNA w k o m ó r c e bakterii, B i C - m o d e l e f r a g m e n t u DNA.
* Podwójną helisę przetłumaczono na język polski (Watson J., Podwójna helisa, ttum. W. Zagórski, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997). Watson w bardzo przystępny sposób opisuje, jak
dokonano jednego z najważniejszych odkryć naukowych X X wieku.
DNA ulega replikacji semikonserwatywnej.
Łatwo jest sobie wyobrazić, jak przebiega replikacja (kostara
piowanie) DNA - dwie nici się rozchodzą i do każdej dobucząsteczka
dowywana jest jej odpowiednia druga polowa. Z jednej cząsteczki powstają dwie - takie same jak wyjściowa, czyli
polowa nowej cząsteczki pochodzi ze starej cząsteczki DNA,
polowa zaś jest dobudowywana. Proces ten nosi nazwę replikacji semikonserwatywnej, co oznacza, że jedna nić każdej
cząsteczki D N A jest stara (zostaje zachowywana), druga natomiast - nowa (ryc. 5). Ze względu na komplementarność
zasad łatwo stwierdzić, co powstanie w wyniku replikacji.
W rzeczywistości replikacja D N A w organizmie wymaga
udziału bardzo wielu białek, a rozpoczęcie procesu jest bardzo ściśle regulowane.
Ryc. 5. Schemat replikacji seMechanizm replikacji można w uproszczeniu przedstawić
mikonserwatywnej
następująco (ryc. 6):
przebieg
- dochodzi do lokalnego rozplecenia nici podwójnej helisy, co prowadzi
replikacji
do rozerwania wiązań pomiędzy komplementarnymi zasadami,
- do zasad w obu niciach dołączane są kolejne odpowiednie nowe nukleotydy (w miejscu replikacji zawsze znajdują się wolne nukleotydy),
- tworzą się wiązania pomiędzy zasadami, ponieważ nowo powstająca
nić jest komplementarna do starej, a następnie dochodzi do odtwarzania struktury przestrzennej dwuniciowej helisy.
Naukowcy potwierdzili doświadczalnie, że proces kopiowania DNA
rzeczywiście zachodzi w ten sposób. Ważne jest, że z jednej cząsteczki
powstają dwie takie same cząsteczki. Replikacja ma głęboki sens biologiczny. Jest bowiem między innymi wstępnym, podstawowym warunkiem mitozy - podziału komórkowego, w wyniku którego powstają dwie
nowe komórki, każda z identyczną informacją genetyczną (por. Biologia 1. Zakres podstawowy, s. 24).
NOWA NIĆ
MATRYCA
(STARA NIĆ)
STARA NIC
NOWA NIĆ
T
G
'
nowy
nukleotyd
€
A
l \
c
K3
K
G
c
A
» T ^ T
kierunek wydłużania 4
n o w e j nici
p
p
p
A
Ryc. 6. Przebieg replikacji - m o m e n t w ł ą c z e n i a n u k l e o t y d u a d e n i n o w e g o
11
Elementy genetyki
DNA ma taki sam typ budowy u wszystkich organizmów.
podobieństwo
DNA u wszystkich
organizmów
usytuowanie DNA
u organizmów
prokarlotyczych
i eukariotycznych
Jak już wspomniano, ogólna budowa D N A (człowieka czy bakterii)
jest taka sama w całym świecie ożywionym. Zawsze występują cztery nukleotydy i niemal zawsze cząsteczki D N A są dwuniciowe (wyjątkiem są
niektóre wirusy mające D N A jednoniciowy). Odmienne u różnych organizmów są: liczba i wielkość cząsteczek DNA, miejsce występowania
w komórce oraz kolejność (sekwencja) nukleotydów w DNA. Kolejność
nukleotydów niesie zapisaną informację - w podanym-wcześniej przykładzie bakterii zapalenia płuc jest to między innymi informacja o tym,
jak wytworzyć otoczkę, umożliwiającą bakteriom przeżycie w organizmie myszy i wywołanie choroby.
Świat organizmów dzielimy na bakterie, zwane też organizmami prokariotycznymi, oraz organizmy eukariotyczne, czyli mające jądro komórkowe. Bakterie mają jedną cząsteczkę DNA, na ogół kolistą, nieoddzieloną od reszty komórki. Komórki organizmów innych niż bakterie
(protistów, roślin, zwierząt i grzybów) mają D N A w jądrze komórkowym
(w postaci cząsteczek liniowych). Ponadto w niektórych organellach komórkowych - mitochondriach oraz (tylko u roślin i niektórych protistów) w chloroplastach występuje D N A w postaci cząsteczek kolistych.
Ilość D N A w tych organellach jest niewielka, jednak jest ono potrzebne
do ich prawidłowego funkcjonowania. W jądrze komórkowym znajduje
się od kilku do kilkudziesięciu cząsteczek D N A tworzących chromatynę
(liczba cząsteczek DNA jest cechą gatunkową!).
Podsumowanie
1. Materiałem genetycznym organizmów jest DNA.
2. Jednostkami budulcowymi D N A są nukleotydy. W D N A występują cztery rodzaje nukleotydów różniących się od siebie zasadami azotowymi (A, T, G, C).
3. D N A jest dwuniciową makrocząsteczką o kształcie skręconej spirali (jest dwuniciową
helisą).
Ćwiczenia
1. Uzasadnij stwierdzenie, że genetyka jest jedną z najszybciej i najintensywniej rozwijających się dziedzin nauk przyrodniczych. W tym celu przejrzyj codzienną prasę (np.
„Rzeczpospolitą") z ostatnich dwóch tygodni i ewentualnie kilka numerów czasopism
popularnonaukowych (np. „Wiedzę i Zycie", „Świat Nauki"). Znajdź w nich artykuły
dotyczące ostatnich badań i odkryć genetycznych.
2. Zbierz wiadomości na temat przebiegu i efektu doświadczeń, dzięki którym udowodniono, że D N A jest nośnikiem informacji genetycznej i przedstaw je w dowolnej formie
(referat, plakat, udział w dyskusji).
3. Wykonaj z ogólnie dostępnych materiałów (plasteliny, drutu, patyczków itp.) model cząsteczki DNA. Postaraj się zachować odpowiednie proporcje wszystkich elementów modelu.
12
4. Narysuj schematycznie i wytnij nukleotydy budujące DNA. Wykonaj kilkanaście takich
modeli w dwóch wersjach kolorystycznych. Wykorzystując modele nukleotydów,
przedstaw semikonserwatywną replikację DNA. Cząsteczka macierzysta powinna mieć
dwie nici w tym samym kolorze. Nowo powstała cząsteczka powinna mieć każdą nić
w innym kolorze. Ułóż i zapisz komentarz do swojej demonstracji.
Polecenia kontrolne
1. Określ, czym się zajmuje genetyka i podaj nazwy dwóch dziedzin biologii, z którymi jest
najbardziej związana.
2. Opisz doświadczenie, które pozwoliło stwierdzić, w jakiej substancji chemicznej
zapisana jest informacja genetyczna.
3. Nazwij struktury komórki eukariotycznej zawierające kwas deoksyrybonukleinowy
(DNA). Określ, czym się różnią komórki bakterii od komórek eukariotycznych pod
względem lokalizacji DNA.
4. Wiedząc, że D N A jest makrocząsteczką, wymień wszystkie rodzaje związków
chemicznych (podjednostek), z których jest zbudowana.
5. Wymień struktury (organelle) komórki roślinnej, w których zachodzi replikacja DNA.
6. Określ, na czym polega komplementarność nici w cząsteczce DNA.
7. Dopisz komplementarną nić D N A do podanej:
ATTATTCGTGGTACGTATATAGCCGTGATA.
8. Dwuniciowy fragment DNA, zbudowany z 300 nukleotydów, zawiera 82 nukleotydy
z tyminą. Oblicz, ile nukleotydów z guaniną powinno być w tym fragmencie cząsteczki.
9. W DNA, otrzymanym z komórek nabłonkowych myszy, nukleotydy z adeniną stanowią
24% liczby wszystkich nukleotydów. Oblicz, ile procent w tym D N A stanowią nukleotydy z cytozyną. Przedstaw i wyjaśnij sposób obliczenia.
10. Podaj kolejność nukleotydów w łańcuchu D N A komplementarnym do łańcucha
...ATCGCA... . Narysuj ten fragment cząsteczki DNA, wykorzystując schematy cząsteczek przedstawione poniżej. Dla przejrzystości rysunku nie przedstawiaj spiralnego
skręcenia nici.
deoksyryboza
guanina
kwas
fosforowy
c
cytozyna
tymina
adenina
13
Elementy genetyki
2. Gen - podstawowa jednostka dziedziczenia
informacja zawarta w DNA
wpływ odkryć
w dziedzinie medycyny
Wyjaśnijmy dokładniej, co jest zapisane w DNA i w jaki sposób. Od
czasu odkrycia budowy DNA było wiadomo, że informacja genetyczna jest
w jakiś sposób zapisana w DNA, jednak sam sposób zapisu nie był jasny.
Od dawna natomiast wiedziano, że istnieją cechy przekazywane z pokolenia na pokolenie, na przykład barwa kwiatów, długość łodygi u roślin.
Bardzo istotne dane do genetyki klasycznej wniosły prace lekarzy. Obserwując dziedziczenie pewnych chorób z pokolenia na pokolenie, lekarze jeszcze w XIX wieku stwierdzili na przykład, że niektóre choroby
ujawniają się tylko u chłopców (np. ślepota na barwy). Na początku
XX wieku lekarze zaproponowali tezę, że defekty (uszkodzenia) w pewnym enzymie są przyczyną choroby zwanej alkaptonurią. Objawia się ona
między innymi ciemnym moczem i odkładaniem ciemnego barwnika
w tkance chrzęstnej. Zaczynano wówczas rozumieć, że z pokolenia na pokolenie mogą być przekazywane jakieś cechy (geny) i że dziedziczone
mogły być też geny z wadami, co prowadziło do powstawania chorób.
W genach zapisane są cechy organizmu.
odkrycie funkcji
genu
różnice w budowie genu u orga: nizmów prokarioi tycznych
i eukariotycznych
W wyniku prac wielu badaczy ogólnie wywnioskowano, że różne
osobniki danego gatunku są odmienne pod względem pewnych cech i że
te cechy są zapisane w genach. Podano definicję genu: jest to coś, co odpowiada za jedną cechę. Znacznie później precyzyjnie zdefiniowano gen
jako odcinek DNA, kodujący jedno białko. Obecnie obowiązuje definicja, że gen to odcinek DNA, odpowiedzialny za powstawanie jednego
produktu (produktem jest białko, choć nie zawsze).
Geny bakterii i organizmów eukariotycznych nieco się od siebie różnią.
Bakterie na ogól mają także mniej genów od organizmów o bardziej złożonej budowie. W przypadku jednokomórkowców różnica ta może być niewielka. Na przykład drożdże mają około 6 tysięcy genów, a bakterie Escherichia coli (pałeczka okrężnicy) - tylko o około 2 tysięcy mniej. Jednak
o tym, czy coś jest bakterią czy nie, decyduje budowa komórki, nie zaś sama liczba genów. Niemniej wiadomo, że organizmy tkankowe mają znacznie większą liczbę genów niż organizmy prokariotyczne. Na przykład liczbę
genów człowieka czy myszy szacuje się na 30 tysięcy do 35 tysięcy, a liczbę
genów rzodkiewnika (rośliny pospolitej także w Polsce) na 25 tysięcy.
Na ogół jeden gen jest jednym odcinkiem D N A (i informacja o cesze
zawarta jest w jednej z nici DNA). Bardzo rzadko w jednym odcinku
D N A może się znajdować kilka zachodzących na siebie genów - bywa
tak u wirusów, a także w mitochondrialnym D N A człowieka.
Gen jest jednostką dziedziczenia i podlega pewnym prawom.
doświadczenia
Grzegorza Mendla
14
Zrozumienie, czym jest gen, było możliwe dzięki pracom prowadzonym w drugiej połowie XIX wieku. To wówczas nie zespół uczonych,
lecz j e d n a osoba - Grzegorz Mendel» (opat zakonu augustianów
w Brnie), sam zaplanował i wykonał wiele doświadczeń, między innymi
nad groszkiem pachnącym. Sformułował proste reguły przekazywania
cech z pokolenia na pokolenie, nazwane potem prawami Mendla.
Mendel przeprowadza! doświadczenia w przyklasztornym ogródku.
Wybrał rośliny różniące się jedną cechą i krzyżował je ze sobą w sposób kontrolowany. Starannie liczy! i ogląda! uzyskane rośliny potomne
(F,), a następnie krzyżował je ze sobą i znowu liczył potomstwo (drugie
pokolenie potomne, czyli F 2 ). Przeprowadzał te doświadczenia dla różnych cech (np. barwa kwiatów, barwa nasion, ukształtowanie powierzchni
nasion). Ważne jest, że rośliny rodzicielskie (P), czyli te, które różniły się
linia czysta
jedną cechą, wybierał z tak zwanych linii czystych. Linia czysta to takie rośliny, które krzyżowane same ze sobą, dają zawsze takie samo potomstwo.
Do krzyżowania wybrał między innymi rośliny o kwiatach białych oraz
o kwiatach czerwonych (ryc. 7). W wyniku krzyżówki uzyskał wyłącznie potomstwo o kwiatach czerwoP:
nych. Krzyżując potomstwo
ze sobą (Fj x F t ), uzyskał
w drugim pokoleniu potomnym rozkład 3 : 1 czerwonych
X
AA
do białych.
A, A
a ,a
Mendel zwrócił uwagę na
fakt, że krzyżowanie roślin o kwiatach czerwonych
z białymi dało wyłącznie roF,
X
śliny o kwiatach czerwonych.
Aa
\
Gdy j e d n a k te p o t o m n e
:
A ,a
A ,a
czerwone rośliny skrzyżowano ze sobą, w
powstały
także rośliny białe. Mendel
słusznie wywnioskował, że
cecha białości kwiatów jest
zawarta w roślinach F,, choAA
\
Aa
\
Aa
\
ciaż nie jest widoczna. JedP r o p o r c j e f e n o t y p ó w w F,
p = 0,5
p = 0,5
nak jest przenoszona z poko1
3
a
A
lenia na pokolenie. Mendel
kwiaty
kwiaty
jako pierwszy wykazał bezczerwone
białe
p = 0,5
pośredni związek pomiędzy
AA
Aa
A
fenotypem (ogółem cech orProporcje genotypów w F2
ganizmu), a genotypem (zeP = 0,5
Aa
stawem genów danego orgaaa
a
Aa
AA
nizmu)*.
#
f
ęęę
%
Ryc. 7. Krzyżówka g r o s z k u z linii czystych różniących się b a r w ą k w i a t ó w (p - p r a w d o p o d o b i e ń s t w o )
*Mendel nie używat takich określeń, nie znał też roli DNA, zaś to, co dzisiaj nazywamy genem, określił jako zawiązek cechy.
15
Elementy genetyki
11 prawo Mendla
Dziś można to wyjaśnić w następujący sposób: każda diploidalna roślina ma dwie kopie genu - jedną od ojca, drugą od matki. Krzyżujemy ze
sobą dwie rośliny - każda z nich wytwarza gamety. Gamety są haploidalne, każda niesie więc tylko jedną kopię genu. Wariant genu - allel - dający czerwoną barwę, określamy jako A, zaś wariant genu, który warunkuje
białą barwę kwiatu, określamy jako a. Rośliny rodzicielskie o kwiatach
czerwonych mają genotyp (układ genów) AA, są więc homozygotami dominującymi, produkują zaś gamety A. Rośliny o kwiatach białych aa
- homozygoty recesywne - produkują natomiast gamety a. Zlanie się takich dwóch gamet daje Aa - heterozygotę - i, jak pokazuje doświadczenie, taka roślina potomna będzie miała kwiaty czerwone. W krzyżowaniu
dwóch roślin Aa (Fj x F,) każda z nich produkuje dwa rodzaje gamet:
A oraz a. Daje to właśnie stosunek potomstwa 3 rośliny czerwone (AA,
Aa, Aa) do 1 białej (aa). Takie prawidłowości pozwoliły sformułować
pierwsze prawo Mendla, zwane też prawem czystości gamet.
W k a ż d e j g a m e c i e jest o b e c n a t y l k o j e d n a k o p i a (allel) d a n e g o g e n u .
Allele:
: dominujące
recesywne
Dlaczego kwiaty roślin choćby z jednym genem A są czerwone, natomiast bez A (a więc aa) są białe? Aby kwiat był czerwony, musi powstać
czerwony barwnik. Mutacja* powodująca zmianę w białku potrzebnym
do syntezy barwnika spowoduje, że czerwony barwnik nie będzie powstawał i roślina będzie miała białe kwiaty. Allel A dominuje zupełnie
nad allelem a - recesywnym - i wystarcza jedna kopia tego allelu, by
kwiat rośliny miał barwę czerwoną.
Nie zawsze dominacja jest pełna - istnieją rośliny (choć akurat nie groszek), w których kwiaty roślinka są różowe. To dowodzi, że w tej sytuacji
jedna kopia genu nie wystarcza, by wyprodukować tyle
czerwonego barwnika, ile wyprodukują dwie kopie genu.
Mówimy wówczas o dominacji niezupełnej (ryc. 8). Jako
inny przykład może posłużyć choroba występująca u ludzi - hipercholesterolemia. Osoby bez mutacji w pewkwiaty
nym genie związanym z metabolizmem cholesterolu są
białe
zdrowe,
osoby o mutacji w jednej kopii genu mają skłonkwiaty
czerwone
ność do zawałów serca w wieku kilkanaście lat młodszym niż przeciętny (ok. 40 lat). Osoby z dwoma zmutokwiaty
Aa
) różowe
wanymi allelami często mają zawały serca już przed
dwudziestym rokiem życia. Jest to bardzo pouczający
A n i e d o m i n u j e c a ł k o w i c i e n a d a.
przykład sytuacji, w której po to, by organizm działał
Ryc. 8 . D o m i n a c j a n i e z u p e ł n a
prawidłowo, potrzebne są obie czynne kopie genu.
analiza
Mendel badał też wyniki krzyżowania roślin różniących się dwiema róż: dziedziczenia
nymi cechami. Rośliny mogą mieć nasiona gładkie (allel dominujący B)
dwóch cech
lub pomarszczone (allel recesywny b) oraz żółte (D) albo zielone (d).
Krzyżując roślinę o nasionach gładkich i żółtych (homozygota BBDD)
*
X
' M u t a c j a to zmiana w DNA, zjawisko to przeanalizujemy później.
16
z rośliną o nasionach pomarszczonych i zielonych (homozygota bbdd),
w pierwszym pokoleniu potomnym (F t ) uzyskuje się wyłącznie rośliny
o nasionach gładkich i żółtych (heterozygoty BbDd). Te rośliny, krzyżowane ze sobą, dają rośliny (F 2 ) o nasionach: gładkich i żółtych, gładkich i zielonych, pomarszczonych i żółtych oraz pomarszczonych i zielonych w stosunku 9 : 3 : 3 : 1 . Dlaczego tak jest, wyjaśnia schemat krzyżówki (ryc. 9).
P:
S y m b o l e alleli:
BBDD
bbdd
re) ( w
B
b
D
d
BbDd
BbDd
p=0,25
BD
p=0,25
Bd
p=0,25
bd
p=0,25
bD
BD
O ®
O ®
O ®
O ®
p=0,25
BBDD
BBDd
BbDD
BbDd
Bd
O ®
p=0,25
bD
p=0,25
bd
p=0,25
f H ®
BBDd
BBdd
O ®
O®
BbDD
SU®
O ®
Proporcje
fenotypów:
o ©
BbDd
bbDD
bbDd
Bbdd
bbDd
bbdd
3
gładkie
zielone
9
gtadkie
żótte
Proporcje
genotypów:
2
BBDD
BBDd
- k o m b i n a c j e z pól: @ @ ( 3 ) ( 4 ) ©
( 7 ) @ @ @ dają rośliny o nasionach żółtych, gładkich
-
k o m b i n a c j e z pól: ( 6 ) ( 8 ) @ dają
rośliny o n a s i o n a c h żółtych, pomarszczonych
-
k o m b i n a c j e z pól: (fi) @ ® dają
rośliny o nasionach zielonych,
gładkich
Bbdd
BbDd
O ®
BbDd
- żótta b a r w a nasion
- zielona barwa nasion
- gtadka powierzchnia
- pomarszczona powierzchnia
1
BBdd
- k o m b i n a c j a z pola @ daje rośliny
o nasionach zielonych, pomarszczonych
pomarszczone
żótte
2
BbDD
1
pomarszczone
zielone
4
2
1
2
1
BbDd
Bbdd
bbDD
bbDd
bbdd
Ryc. 9. Krzyżówka roślin o nasionach różniących się d w i e m a c e c h a m i (p - p r a w d o p o d o b i e ń s t w o p o w s t a n i a )
Uzyskany wysoce powtarzalny wynik pozwolił Mendlowi dostrzec kolejną prostą i ważną zależność rządzącą dziedziczeniem różnych genów.
Dzisiaj nazywamy ją drugim prawem Mendla (albo prawem niezależnej
segregacji alleli).
III prawo Mendla
Każdy o r g a n i z m p r o d u k u j e g a m e t y w t e n s p o s ó b , że allele z j e d n e j pary
g e n ó w w c h o d z ą d o g a m e t , niezależnie o d alleli i n n y c h p a r g e n ó w .
Dlatego też roślina BbDd produkuje cztery rodzaje gamet BD, Bd, bD
oraz bd w jednakowych ilościach.
17
Elementy genetyki
Prace Mendla na tyle wyprzedzały swoją epokę, że pozostały niezauważone aż do ponownego niezależnego ich odkrycia na początku
X X wieku. Prawa Mendla są nadal bardzo ważne, bowiem jedną z podstawowych metod badania dziedziczenia chorób u człowieka jest - podobna do badań Mendla - analiza rodowodów. Większość chorób powodowanych przez mutacje w pojedynczych genach dziedziczy się w sposób
mendlowski.
Prawa Mendla są prawdziwe dla większości sytuacji. Wyjątki stanowią
między innymi: geny zlokalizowane w tym samym chromosomie, czyli tak
zwane geny sprzężone z płcią (por. opis badań Morgana zamieszczony
poniżej), a także geny w mitochondrialnym lub chloroplastowym D N A
(ponieważ jest wiele kopii tego D N A w komórce i często przekazywane
są tylko przez komórkę jajową, a nie przez plemnik). U człowieka nie występują chloroplasty, jednak istnieje wiele chorób związanych z mutacjami w mitochondrialnym DNA, które są dziedziczone tylko po matce.
Badania Morgana wykazały, że geny są ułożone w chromosomach.
doświadczenia
Tomasza
Morgana
Jednym z najważniejszych elementów pracy genetyków jest właściwy
wybór obiektu badań. Mendel wybrał groszek - łatwy do hodowania i do
krzyżowania. Amerykanin Tomasz Morgan na początku X X wieku zajął
się niewielką muszką owocową - Drosophila melanogaster. Co dwa tygodnie (o wiele szybciej niż u groszku) można uzyskać kolejne pokolenia
potomne tych muszek. Drosophila ma tylko 4 pary chromosomów (3 pary
tak zwanych autosomów i 1 parę chromosomów pici - X X u samic, XY
u samców; ryc. 10). Jest mała, ale na tyle duża, że
osobniki mające inne oczy, barwę ciała czy kształt
skrzydeł można dość łatwo odróżnić pod lupą.
Morgan wraz ze swoimi współpracownikami
uzyskał różne odmiany muszki owocowej i krzyżował je ze sobą. Dzięki tym doświadczeniom wykazał, że geny są obiektami umieszczonymi w chromosomach (było to wielkie osiągnięcie).
Od Morgana wywodzi się wciąż aktualna koncepcja genów ułożonych liniowo jeden za drugim
w chromosomie. Morgan potrafił też udowodnić, że
geny leżące w jednym chromosomie nie dziedziczyły
się zgodnie z drugim prawem Mendla (mówimy, że
nie segregują się niezależnie; por. dalej).
Morgan wykrył ponadto geny sprzężone z płcią,
samiec
samica
na
przykład jeden z genów warunkujących barwę
Ryc. 1 0 . M u s z k a o w o c o w a j e s t d o s k o n a
oka
u muszek, który mieści się w chromosomie X
tym obiektem badań genetycznych.
(nie ma go natomiast w chromosomie Y). Normalgeny sprzężone
ne muszki (typ dziki) mają oczy czerwone, istnieją też muszki z mutacją
z ptcią
recesywną w tym genie, które mają oczy białe. Jak pokazano na schemacie (ryc. 11), nie uzyska się takiego samego wyniku, na przykład krzyżu18
2. Gen - p o d s t a w o w a jednostka dziedziczenia
jąc białooką samicę z czerwonookim samcem (powstaną czerwonookie
samice i białookie samce), jak przy krzyżówce odwrotnej, w której
wszystkie potomne muszki będą miały oczy czerwone.
Oczywiście Morgan początkowo nie mógł wiedzieć o tym, w którym
chromosomie mieści się gen warunkujący barwę oczu. Jego rozumowanie było oparte na odmiennych wynikach krzyżówek czerwonookich samic z białookimi samcami niż białookich samic z czerwonookimi samcami. To, że chromosom X jest większy od chromosomu Y, ułatwiło dalsze
rozumowanie.
XAYN
xaxa
P:
ci
oczy białe
W gametach:
Xa,
?
oczy czerwone
oczy czerwone
Xa
X
A
Y
W
W gametach:
x
o c z y biate
X*4, X"4
Xa
Y^
Fi:
oczy czerwone
xAxa
A - a l l e l dominujący,
w a r u n k u j ą c y czerwoną
b a r w ę oczu
oczy biate
xaY(~)
a - recesywny allel
białej barwy o c z u
XA - c h r o m o s o m X
z allelem/t
oczy czerwone
oczy czerwone
XAYH
xAxa
Xa - c h r o m o s o m X
z allelem a
Y(chromosom
Y
(nie występują w nim
allele/1 ani też allele a)
Ryc. 1 1 . P r z y k ł a d d z i e d z i c z e n i a c e c h y s p r z ę ż o n e j z płcią ( d w i e k r z y ż ó w k i t z w . o d w r o t n e )
Poznanie faktu, że geny leżą w chromosomach, pozwoliło na ich mapowanie.
Mapowanie polega na badaniu, w jakich chromosomach poszczególne geny są umieszczone i w jakiej odległości od siebie. Takie badania są
dość proste w wypadku groszku, muszki owocowej czy nawet myszy, ze
względu na łatwość uzyskania dużej liczby potomstwa. Znacznie trudniej natomiast jest przeprowadzić je u człowieka (z oczywistych powodów). W mapowaniu genów człowieka początkowo pomocne okazały się
badania nad chorobami ludzkimi przeprowadzone nad wielodzietnymi,
rodzinami Mormonów w USA. Bezcenne okazały się stare księgi parafialne zapisów urodzin. Prowadzone niezwykle rzetelnie, umożliwiły
prześledzenie dziedziczenia wielu genów i określenie ich położenia.
Odległość między parą genów jest mierzona częstością wchodzenia
pary genów razem do gamet, a nie w jednostkach miary długości. Mapowanie nie dotyczy oczywiście genów leżących na różnych chromosomach
(genów niesprzężonych). Jeżeli mamy dwa takie geny i krzyżujemy heterozygotę AaBb z homozygotą recesywną aabb, to heterozygota produkuje cztery równoliczne rodzaje gamet (AB, Ab, aB i ab), a homozygotą tyl-
mapowanie
genów
19
Elementy genetyki
ko jeden rodzaj gamet (aabb). Po krzyżówce powstają cztery równoliczne klasy potomstwa AaBb, Aabb, aaBb i aabb, co w mapowaniu genów
nie jest bezpośrednio przydatne.
Sytuacja się zmienia, gdy geny A i B leżą w jednym chromosomie.
Wówczas częstość wchodzenia pary genów do gamet wśród potomstwa
zależy od układu na chromosomach homologicznych:
A
B
A
(I)
zjawisko
crossing-over
b
albo
(II)
a b
a
B
Zanim przeanalizujemy pierwszy z tych przypadków, musimy zwrócić
uwagę na zjawisko crossing-over (dla tego określenia brak polskiego odpowiednika). Zachodzi ono na początku mejozy i prowadzi do wymiany
(rekombinacji) odpowiadających sobie odcinków chromosomów homologicznych (ryc. 12).
<
A B
C
A
•)
a
B
a
b
i.
para c h r o m o s o m ó w homologicznych na początku
mejozy (każdy c h r o m o s o m
s k t a d a się z d w ó c h c h r o m a t y d )
crossing-over
para c h r o m o s o m ó w
homologicznych po
crossing-over
I IJ
b
Il II]
chromosomy potomne w komórkach po
mejozie
Ryc. 12. O g ó l n y m o r f o l o g i c z n y m e c h a n i z m crossing-over wyjaśnia, jak d o c h o d z i d o w y m i e s z a n i a m a t e r i a t u
g e n e t y c z n e g o w o b r ę b i e j e d n e j pary c h r o m o s o m ó w h o m o l o g i c z n y c h ( a n a l i z o w a n o p r z y p a d e k I).
Jak przedstawia powyższy schemat, po mejozie w komórce rozrodczej
może się znaleźć: chromosom zrekombinowany (po crossing-over - z genami Ab albo aB) albo niezrekombinowany (z genami AB albo ab). Częstość crossing-over zależy wprost proporcjonalnie od odległości między
genami. Jeżeli geny leżą daleko od siebie w chromosomie, to powstanie
około 50% gamet z układem rodzicielskim (Ab, ab) alleli i 50% gamet
po rekombinacji (Ab, aB). Oznacza to, że wyniki krzyżówki będą zgodne
z drugim prawem Mendla i trudne w interpretacji. Jeśli jednak geny
A i B leżą dość blisko siebie na jednym chromosomie, wynik będzie inny.
Wykaże to na przykład krzyżówka z osobnikiem aabb*. Powstaną bowiem cztery klasy osobników potomnych: AaBb i aabb - znacznie więcej
niż 50% oraz Aabb i aaBb - odpowiednio mniej niż 50%. Odległość
między genami ustala się, określając stosunek gamet po crossing-over do
wszystkich powstałych gamet. Rozkład genów na chromosomach dla
różnych organizmów sporządzano, cierpliwie krzyżując różne osobniki
ze sobą i układając tak zwaną mapę chromosomową.
'Krzyżowanie z osobnikiem aabb, wnoszącym tylko allele recesywne, pozwala na ujawnienie,
jakie są gamety heterozygoty, a więc jaki jest jej genotyp.
20
2. Gen - p o d s t a w o w a j e d n o s t k a dziedziczenia
Podsumowanie
1. Gen jest podstawową jednostką dziedziczenia związaną z przenoszeniem cech z pokolenia na pokolenie.
2. Dziedziczeniem cech rządzą dwa prawa opisane przez Mendla - prawo czystości gamet
i prawo niezależnej segregacji alleli.
3. Geny są ułożone liniowo w chromosomach. Geny znajdujące się w jednym chromosomie dziedziczą się niezgodnie z drugim prawem Mendla.
Ćwiczenia
1. Dowiedz się, kto spośród członków twojej rodziny ma umiejętność zwijania języka
w trąbkę, a komu tej umiejętności brak. Im więcej osób uwzględnisz w swoim badaniu,
tym lepiej. Opracuj w dowolnej formie graficznej rodowód twojej rodziny i przedstaw
na nim przebieg dziedziczenia tej cechy.
Polecenia kontrolne
1. Uzasadnij, dlaczego Grzegorza Mendla uważa się za ojca genetyki.
2. Wyjaśnij, co oznacza określenie „linia czysta" i opisz na dowolnym przykładzie sposób
otrzymania linii czystej.
3. W diploidalnej komórce, z której powstaną gamety, zawarte są dwa różne allele jednego genu: A i a. Podaj, z jakim prawdopodobieństwem z tej komórki uzyskamy gametę
z allelem A
4. Wyjaśnij pojęcia:
a) allel dominujący, cecha dominująca,
5. Tabela przedstawia przykłady
cech człowieka dziedziczonych
zgodnie z prawami Mendla. Wykorzystując dane z tabeli, ułóż
krzyżówki genetyczne ilustrujące:
a) I prawo Mendla (prawo czystości gamet),
b) II prawo Mendla (prawo niezależnej segregacji alleli). •
t
,
_
J
b) allel recesywny, cecha recesywna.
Cecha dominująca
Cecha recesywna
Policzki z d o t k a m i
policzki bez dotków
Uszy odstające
uszy przylegające
Wtosy nierude
wtosy rude
Wtosy nieskręcone
w t o s y k r ę c ą c e się, s f a l o w a n e
Wargi szerokie
wargi wąskie
Zwijanie języka w trąbkę
brak takiej zdolności
Piegi
brak piegów
6. Allel warunkujący czarną sierść królików dominuje nad allelem barwy białej. Krzyżowano ze sobą osobniki homozygotyczne o czarnej sierści z osobnikami homozygotycznymi
o sierści białej. Podaj:
a) genotyp rodziców (zapisz go, stosując symbole literowe),
b) genotyp i fenotyp potomstwa.
Wyjaśnij wynik tej krzyżówki.
21
Elementy genetyki
7. Zapisz krzyżówki genetyczne, które należałoby wykonać, aby w potomstwie otrzymać
rozszczepienie fenotypów w następującym stosunku liczbowym:
a) 3 : 1,
b) 1 : 1,
c) 9 : 3 : 3 : 1,
d) 1 : 1 : 1 : 1.
8. Podaj prawdopodobieństwo uzyskania cechy dominującej w potomstwie, jeśli cecha ta
wywołana jest przez jeden gen, a każdy z rodziców ma po dwa różne allele tego genu.
9. Skrzyżowano 2 długoskrzydłe osobniki pewnego gatunku owadów. W potomstwie uzyskano 90 owadów o długich skrzydłach i 30 owadów o krótkich skrzydłach.
a) Określ i uzasadnij, czy cecha „krótkie skrzydła" jest dominująca czy recesywna.
b) Podaj genotypy owadów, które skrzyżowano.
c) Uzasadnij pojawienie się osobników o krótkich skrzydłach w potomstwie owadów
długoskrzydłych.
d) Podaj treść prawa, które wyjaśnia wynik tej krzyżówki.
10. Ciemna barwa oczu jest dominująca nad błękitną. Allele barwy oczu znajdują się na
autosomach. Przyjmując, że za barwę oczu odpowiada jedna para genów, odpowiedz
na poniższe pytania i uzasadnij odpowiedzi.
a) Czy rodzice o ciemnych oczach mogą mieć dziecko blękitnookie?
b) Czy rodzice o oczach błękitnych mogą mieć dziecko ciemnookie?
11. Niebieskooki mężczyzna, którego rodzice mieli oczy piwne, ożenił się z ciemnooką
kobietą, której ojciec miał oczy niebieskie, a matka piwne. Dziecko z tego małżeństwa
miało oczy niebieskie. Zapisz genotypy wszystkich członków rodziny.
12. Skrzyżowano ze sobą świnki morskie o czarnej krótkiej sierści. Otrzymano potomstwo
o sierści: czarnej krótkiej - 250, czarnej długiej - 87, białej krótkiej - 82, białej długiej
-24.
a) Podaj, które allele są dominujące, a które recesywne. Oznacz je symbolami.
b) Określ genotypy rodziców.
c) Wykonaj schematyczny rysunek przedstawiający rozmieszczenie alleli barwy i długości sierści na chromosomach w komórce diploidalnej.
d) Podaj treść prawa, które wyjaśnia wynik tej krzyżówki.
13. Płeć muszki owocowej (a także człowieka) warunkuje obecność odpowiednich chromosomów płci. Muszki samice mają dwa jednakowe chromosomy płci - XX, samce
zaś różne - XY. Udowodnij, że za pleć potomstwa odpowiada ojciec dzieci (przynajmniej w przypadku muszki owocowej i człowieka).
22
3. Informacja zapisana w genie i jej odczytywanie
3. I n f o r m a c j a zapisana w genie i jej
odczytywanie
Wiemy już, że D N A jest cząsteczką złożoną z ułożonych kolejno nukleotydów - umownie oznaczonych literami A, T, C i G. Jaka informacja
jest zapisana w tych ciągach nukleotydów?
Już około stu lat temu było wiadomo, że podstawowymi związkami
organicznymi są białka. Pełnią one w organizmie funkcje strukturalne
(np. u człowieka kolagen w skórze i keratyna we włosach) i są też enzymami. Niektóre białka są hormonami*. Przykładem może być insulina,
hormon wydzielany przez trzustkę, niezbędny do prawidłowego przyswajania cukrów. W jednym organizmie mogą powstawać tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy różnych białek.
Białka są liniowymi makrocząsteczkami, w których znajduje się dwadzieścia różnych rodzajów elementów składowych. Jak wiesz, te elementy budujące białka nazywają się aminokwasami. Istnieją bardzo małe
białka, złożone z kilkudziesięciu aminokwasów, i białka olbrzymie, złożone z więcej niż tysiąca aminokwasów. Na podstawie badań przeprowadzonych w latach czterdziestych zasugerowano tezę, że w D N A danego
organizmu jest zapisana informacja o kolejności aminokwasów we
wszystkich jego białkach. Nie było jednak wiadomo, w jaki sposób 4 „literki" (A, T, C i G) mogły zapisać 20 różnych aminokwasów. Za jeden
aminokwas musi odpowiadać na pewno więcej niż jedna „literka". Jeśli
jednak będą to dwa nukleotydy, istnieje 42 = 16 możliwości (czyli za mało), jeśli 3 nukleotydy, to są 43 = 64 możliwości (czyli nawet za dużo).
Synteza białka również musi się gdzieś zaczynać i kończyć, co także powinno być w jakiś sposób zakodowane. Jak jest w rzeczywistości, dowiedziono w polowie ubiegłego wieku, w wielu pomysłowych doświadczeniach genetycznych (brał w nich udział, m.in. Francis Crick).
Doświadczenia te ostatecznie wykazały, jakie są cechy kodu genetycznego (zwanego kodem życia).
informacja
o biatkach
zapisana w DNA
| aminokwasy
Teoretyczne założenie, że kod genetyczny powinien być trójkowy, okazało się
prawdziwe.
Poszczególne „literki" kodu mają stałą wielkość - każda składa się
z trzech nukleotydów (tab. 1, s. 24). Trzy kolejne nukleotydy tworzą więc
kodon odpowiedzialny za jeden aminokwas. Tylko trzy kodony spośród 64 nie odpowiadają żadnemu aminokwasowi, ale są niczym znak
„stop" (wyznaczają miejsce, gdzie kończy się zapis białka). Synteza
wszystkich białek zawsze zaczyna się od aminokwasu metioniny, czyli
kodon metioniny (kodon inicjujący) jest w pewnym sensie znakiem startu (tu zaczyna się białko).
Kod jest też uniwersalny - we wszystkich organizmach jest taki sam, na
przykład trójka nukleotydów D N A - GAC oznacza leucynę.
Cechy kodu
genetycznego:
trójkowy
uniwersalny
jednoznaczny
zdegenerowany
niezachodzący
bezprzecinkowy
* Jednak nie wszystkie hormony są białkami!
23
odstępstwa
od kodu
genetycznego
(
uuu
uuc
Poszczególne aminokwasy kodowane są przez więcej niż jeden kodon
(61 trójek na 20 aminokwasów). Cechę tę nazwano degeneracją kodu genetycznego. Jednocześnie jednak kod genetyczny jest jednoznaczny. To
zaś oznacza, że dana trójka (kodon) koduje wyłącznie jeden określony
aminokwas. W ten sposób informacja genetyczna zawarta w konkretnym
odcinku D N A zawsze daje możliwość zsyntetyzowania tego samego białka (o tej samej kolejności ułożenia aminokwasów).
Ponadto kod genetyczny ma też inne charakterystyczne cechy. Jest bezprzecinkowy i niezachodzący. Oznacza to, że między trójkami kodującymi
nie ma żadnych dodatkowych elementów i odczytywane są jedna po drugiej (trójki w żaden sposób nie zachodzą na siebie, np. ostatni nukleotyd
pierwszego kodonu nie jest pierwszym nukleotydem drugiego).
W biologii zdarzają się wyjątki od reguł - bardzo rzadko występują pojedyncze różnice w kodonach (np. u niektórych pierwotniaków oraz w mitochondrialnym DNA). Czasem - o czym już wspomniano - na danym odcinku D N A geny zachodzą na siebie. Często dzieje się to wtedy, gdy
D N A ma ograniczoną długość (u wirusów, które muszą zmieścić w swoich otoczkach D N A o małej długości). Znacznie ważniejsza, niż pamiętanie o takich wyjątkach, jest wiedza o tym, że zasady kodowania są takie
same w całym świecie ożywionym.
fenyloalanina
UCU
seryna
UAU
tyrozyna
UGU
cysteina
fenyloalanina
UCC
seryna
UAC
tyrozyna
UGC
cysteina
UUA
leucyna
UCA
seryna
UAA
STOP
UGA
STOP
UUG
leucyna
UCG
seryna
UAG
STOP
UGG
tryptofan
CUU
leucyna
CCU
prolina
CAU
histydyna
CGU
arginina
CUC
leucyna
CCC
prolina
CAC
histydyna
CGC
arginina
CUA
leucyna
CCA
prolina
CAA
glutamina
CGA
arginina
CUG
leucyna
CCG
prolina
CAG
glutamina
CGG
arginina
AUU
izoleucyna
AC U
treonina
AAU
asparagina
AGU
seryna
AUC
izoleucyna
ACC
treonina
AAC
asparagina
AGC
seryna
AUA
izoleucyna
ACA
treonina
AAA
lizyna
AGA
arginina
AUG
metionina
— START
ACG
treonina
AAG
lizyna
AGG
arginina
GUU
walina
GCU
alanina
GAU
asparaginian
GGU
glicyna
GUC
walina
GCC
alanina
GAC
asparaginian
GGC
glicyna
GUA
walina
GCA
alanina
GAA
glutaminian
GGA
glicyna
GUG
walina
GCG
alanina
GAG
glutaminian
GGG
glicyna
•
T a b . 1. Tabela k o d u g e n e t y c z n e g o ( z a m i e s z c z o n o t r ó j k i n u k l e o t y d ó w m R N A )
24
3.1. RNA - kwas nukleinowy o wielu możliwościach
Pod względem chemicznym RNA różni się od DNA cukrem i jedną zasadą
azotową.
Jak już wspomniano, u organizmów mających jądro komórkowe olbrzymia większość D N A znajduje się właśnie w jądrze. Wiadomo jednak,
że białka nie powstają w jądrze, lecz w cytoplazmie (na rybosomach). To
oznacza, że białko zapisane jest w jednym miejscu, a powstaje w zupełnie
innym. Musi więc istnieć jakiś pośrednik i - jak się okazało - rzeczywiście
istnieje (także u bakterii!). Jest nim cząsteczka innego rodzaju kwasu nukleinowego - RNA - kwasu rybonukleinowego (ryc. 13).
l funkcja RNA
ZASADY AZOTOWE:
cytozyna
uracyl
adenina
guanina
nukleotyd
Ryc. 1 3 . C z ą s t e c z k a R N A - z w i ą z e k t e n m a n a j c z ę ś c i e j p r o s t s z ą b u d o w ę p r z e s t r z e n n ą n i ż D N A .
R N A pełni przeróżne funkcje w komórce, niektóre z nich zostaną
opisane w dalszych częściach tego rozdziału. Charakterystyczna dla
R N A jest jednoniciowość. Jego cząsteczki zawierają także cztery nukleotydy, ale odpowiednikiem T jest bardzo podobny nukleotyd urydynowy - U (zawiera zasadę - uracyl). W nukleotydach R N A zamiast cukru
deoksyrybozy obecna jest ryboza. Cząsteczki R N A występujące w komórce mają bardzo różne długości, od kilkudziesięciu do wielu tysięcy
nukleotydów.
budowa
cząstecz-
ki RNA
Czy w i e s z , że...
Istnieje w i e l e r o d z a j ó w c z ą s t e c z e k R N A w k o m ó r c e i c i ą g l e w y k r y w a się n o w e . W ś w i e c i e b i o l o g ó w istnieje swoisty w y ś c i g w o d k r y w a n i u cząsteczek i procesów. Co roku któreś z odkryć
u z n a j e się z a n a j b a r d z i e j c i e k a w e . W r o k u 2 0 0 2 za t a k i e u z n a n o w y k r y c i e m a l u t k i c h c z ą s t e czek RNA, k t ó r y c h istnienia jeszcze 10 lat wcześniej nikt nie p o d e j r z e w a ł , a które o d g r y w a j ą
ważną rolę w regulacji działania g e n ó w .
25
Elementy genetyki
3.2. Transkrypcja i translacja - procesy prowadzące do
powstania białka
Pierwszy etap działania genu kodującego białko prowadzi do powstania
cząsteczki mRNA.
Wyobraźmy sobie, że gen to odcinek D N A i prześledźmy, w jaki sposób informacja zapisana w genie da w efekcie białko.
proces
Zacznijmy od tego, że gen ulega aktywacji, gdy pewne bodźce (wynitranskrypcji
kające z sygnałów docierających do komórki) spowodują powstanie „roboczej" kopii jednej z nici D N A w postaci RNA. Proces powstawania
R N A - kopii D N A - nazywamy transkrypcją. Inaczej mówiąc (choć tego określenia naukowcy nie używają), jest to przepisywanie informacji
genetycznej z jednego kwasu nukleinowego (DNA) na drugi (RNA).
Po rozpoczęciu transkrypcji jest ona kontynuowana aż do miejsca,
informacja zawarta w mRNA
w którym się kończy. W efekcie transkrypcji genu kodującego białko powstaje cząsteczka mRNA (ang. messenger - posłaniec, przekaźnik). To
właśnie w m R N A - roboczej kopii D N A
- zapisana jest informacja o syntezie danego
A T G C T A A G C G A T A
DNA
białka (ryc. 14). W wyniku transkrypcji inT A C G A T T C G C T A T
nych genów powstają odpowiednie rodzaje
TRANSKRYPCJA
R N A pełniące pomocnicze funkcje w bioA U G C U A A G C G A U A
mRNA
syntezie białka (por. dalej).
Wniosek: informacja o każdym R N A jest
Ryc. 14. Istota transkrypcji
zapisana w odpowiednim genie.
Rozpoczęcie syntezy R N A jest procesem podlegającym ścisłej kontroli. Na ogół bowiem gen jest czynny tylko wtedy, gdy komórka otrzymuje sygnał, że należy uzyskać produkt tego genu. Sygnały takie są bardzo różne - u bakterii bodźce są proste i wynikają zasadniczo z tego, co
bakteria napotka do odżywiania lub czego jej w danym momencie brakuje. Jeżeli bakteria napotka na przykład cukier, to uruchamia syntezę
enzymów potrzebnych do rozłożenia tego cukru. Jeśli natomiast bakterii
brakuje jakiegoś aminokwasu, to uruchamia syntezę enzymów potrzebnych do wyprodukowania takiej cząsteczki. Można więc powiedzieć, że
regulacja działania genów, czyli ich włączanie, odbywa się przede
wszystkim na etapie rozpoczęcia transkrypcji.
W komórkach eukariontów sytuacja jest bardziej skomplikowana. Na
przykład u człowieka, zobaczenie czy dotknięcie czekolady nie uruchamia w każdej komórce syntezy enzymów potrzebnych do jej rozłożenia.
To, jakie białka są produkowane w danej komórce, jest efektem jej przeszłości (inne białka są w wątrobie, inne w nerce, jeszcze inne w krwince
białej) i skomplikowanego systemu sterowania ich metabolizmem. Tak
więc, pomimo że w każdej komórce obecny jest taki sam DNA, nie
wszystkie geny działają we wszystkich komórkach. Na przykład enzymy
26
trzustkowe nie powstają w wątrobie, a białka włosów nie są produkowane w krwinkach. Uczyliście się już o układzie dokrewnym i hormonach.
To właśnie niektóre z hormonów są nadrzędnymi regulatorami procesów metabolicznych, między innymi wpływają na to, jakie geny będą
czynne w danej komórce*.
U organizmów jądrowych to, co powstaje po transkrypcji, czyli cząsteczka R N A (nazwijmy ją prekursorem RNA), wymaga na ogół poważnej obróbki, zanim jeszcze stanie się właściwym nośnikiem informacji do
syntezy białka. Cząsteczka prekursora jest modyfikowana na obu końcach i czasami obrabiana tak - jest to oczywiście porównanie obrazowe
- j a k się montuje filmy: pewne elementy są wycinane, a pozostałe kawałki R N A - eksony - są ze sobą łączone (ryc. 15). Wycinane fragmenty,
zwane intronami, nie kodują białka i muszą być usuwane. Po tych procesach z prekursora powstaje mRNA, który jest transportowany z jądra
komórkowego do cytoplazmy.
EKSON
EKSON
EKSON
INTRON
INTRON
DNA
TRANSKRYPCJA
EKSON
INTRON
EKSON
EKSON
WYCINANIE
WYCINANIE
ł
EKSON
INTRON
EKSON
prekursor
RNA
OBRÓBKA
POSTTRANSKRYPCYJNA
EKSON
.--
mRNA
Ryc. 1 5 . P o w s t a w a n i e m R N A u e u k a r i o n t ó w j e s t b a r d z o s k o m p l i k o w a n y m p r o c e s e m .
W syntezie białka biorą udział mRNA, rybosomy oraz aminokwasy.
Prześledźmy najpierw ogólnie przebieg syntezy białka (nazywanej też
biosyntezą białka). Gen ulega transkrypcji, powstaje mRNA. Na jego
wolny koniec dostają się „fabryki" potrzebne do syntezy białka, zwane
rybosomami. Kolejne rybosomy przesuwają się po mRNA, syntetyzując
odpowiednie białko (ryc. 16, s. 28).
Rybosomy to twory złożone z kilkudziesięciu białek i kilku rodzajów
cząsteczek rybosomalnego RNA (rRNA), odpowiedzialne za: przytrzymanie m R N A , odczytanie zawartej w nim informacji i połączenie po kolei odpowiednich aminokwasów zapisanych w m R N A .
| funkcje
rybosomów
*Są też geny czynne we wszystkich komórkach ciała i w zasadzie zawsze są to tak zwane geny
metabolizmu podstawowego, potrzebne do funkcjonowania każdej komórki.
27
Elementy genetyki
mRNA
rybosom
mRNA
Ryc. 16. P o r ó w n a n i e d z i a ł a n i a g e n ó w : A - w k o m ó r c e p r o k a r i o t y c z n e j , B - w k o m ó r c e e u k a r i o t y c z n e j
Odczytywanie informacji genetycznej, czyli przetłumaczenie kolejności nukleotydów na kolejność aminokwasów, nazwano translacją.
przebieg
translacji
Ważnym elementem translacji (ang. translate - tłumaczyć) są niewielkie, charakterystyczne cząsteczki RNA, zwane tRNA (ang. transfer
-przenosić, transportować; ryc. 17). Upraszczając, można stwierdzić, że
istnieje jeden rodzaj cząsteczki t R N A przypadający na jeden aminokwas.
Jedna cząsteczka t R N A jest łączona
wolny koniec, d o
ze swoim odpowiednim aminokwaktórego przyłączany
sem - zawsze tym samym (istnieją enjest a m i n o k w a s
zymy, które jednocześnie rozpoznają
specyficzny typ t R N A oraz specyficzprosty
model \
ny typ aminokwasu i łączą je ze sobą).
X
tRNA
Natomiast t R N A w jednej z pętli zawiera sekwencję trzech nukleotydów,
zwaną antykodonem, łączącą się z kodonem m R N A dla danego aminokwasu. Translacja odbywa się od momentu
pętla a n t y k o d o n o w a (zawiera
kilka n u k l e o t y d ó w , z których
„start" (pierwsza jest metionina) do
trzy ś r o d k o w e tworzą antykodonu
„stop" (po kodonie ostatniek o d o n umożliwiający rozgo aminokwasu występuje jeden z kopoznawanie kodonów mRNA)
donów „stop", dla którego nie ma już
Ryc. 1 7 . C z ą s t e c z k i t R N A m a j ą c h a r a k t e r y s t y c z n e p ę t l e
żadnego (tRNA z aminokwasem). Po
- w j e d n e j z n i c h z n a j d u j ą się n u k l e o t y d y a n t y k o d o n u .
osiągnięciu kodonu „stop" z rybosomu uwalniane jest nowo powstałe białko. Innymi słowy - rybosom zaczyna od pierwszego kodonu i przesuwa się po kolei o trzy nukleotydy.
W tym czasie kolejne cząsteczki t R N A dostarczają następne zakodowane aminokwasy i rybosom pracuje, aż dojdzie do kodonu „stop". Na
ogół na jednej nici m R N A pracuje wiele kolejnych rybosomów.
28
W rybosomie równocześnie mogą znajdować się tylko dwie cząsteczki tRNA (ryc. 18).
W momencie rozpoczęcia translacji jest to
t R N A z metioniną oraz tRNA z drugim aminokwasem. Kompleks mRNA-rybosom-cząsteczka tRNA z aminokwasami umożliwia powstanie pierwszego wiązania peptydowego między metioniną a następnym aminokwasem. Ten złożony z dwóch aminokwasów
zaczątek białka (dipeptyd) pozostaje związany z rybosomem, zaś pusty tRNA metioninowy odpada. Zatem tRNA z dwoma aminokwasami pozostaje w rybosomie, do m R N A
przyłącza się tRNA z trzecim aminokwasem
i tak dalej - aż do kodonu „stop" (ryc. 19).
U bakterii transkrypcja i translacja w zasadzie
nie są rozdzielone w czasie i przestrzeni, natomiast u eukariontów jest inaczej.
1
tworzenie
wiązania
między
m e t i o n i n ą (Met)
i g l u t a m i n ą (Glu)
mRNA
2]
z b l i ż a n i e się
tRNA
z proliną (Pro)
i
U bakterii podczas transkrypcji do powstaiw I
jącego mRNA od razu przyłączają się kolejne
rybosomy i przesuwają się po nim, syntetyzując zapisane w RNA białko (ryc. 16A).
U eukariontów musi najpierw powstać
mRNA, który opuszcza jądro, po czym proces translacji przebiega w cytoplazmie, bardzo podobnie jak u bakterii (ryc. 16B). BioRyc. 1 8 . S c h e m a t p o w s t a w a n i a
w ch n a
rą w nim też udział rybosomy, zaczynające
y
pojedynczym rybosomie
translację od kodonu „start" (metionina) i kończące na kodonie „stop".
Wniosek: U bakterii i organizmów eukariotycznych występuje ten
sam kod i taki sam jest sposób jego odczytywania. Efektem procesów
transkrypcji i translacji jest odczytanie informacji zakodowanej w genie,
czyli powstanie białka.
tańcuch aminokwasów
p o w s t a j ą c e g o biatka
3j
tworzenie
wiązania
peptydowego
między
glutaminą
a proliną
wiązań peptydo-
uwolnione
biatko
kodon
STOP
mRNA
podjednostki
rybosomu
Ryc. 1 9 . S c h e m a t r o z p a d u k o m p l e k s u s y n t e t y z u j ą c e g o b i a t k o
29
Elementy genetyki
Podsumowanie
1. Zapis informacji genetycznej, zwany kodem genetycznym, jest: uniwersalny, trójkowy,
jednoznaczny, zdegenerowany, niezachodzący i bezprzecinkowy.
2. Informacja o białku jest przepisywana z D N A na m R N A w procesie transkrypcji.
3. Jako matryca do syntezy białka w procesie translacji służy mRNA.
4. Gen to odcinek DNA, w którym zapisana jest informacja o jednym produkcie: białku
lub określonym RNA.
Polecenia kontrolne
1. Porównaj skład i budowę D N A i RNA. Wykaż podobieństwa i różnice.
2. Opisz w kilku zdaniach przebieg procesu transkrypcji.
3. Podaj kolejność nukleotydów w nici RNA, która powstała w wyniku transkrypcji
łańcucha DNA o następującej sekwencji: ACTGTAGCAGACTGAGCTA.
4. Wyjaśnij, na czym polegał wkład naukowców Jamesa Watsona i Francisa Cricka
w rozwój genetyki.
5. Pogrupuj podane niżej wyrażenia, wpisując je w odpowiednie kolumny tabeli:
informacja genetyczna, symbole chemiczne pierwiastków, kod genetyczny, alfabet łaciński, /... /—/... /, list do koleżanki, wzory związków chemicznych, alfabet Morse'a.
F o r m a p r z e k a z u treści
S p o s ó b z a p i s u (szyfr)
6. Wyjaśnij różnicę pomiędzy informacją genetyczną a kodem genetycznym.
7. Wymień i omów cechy kodu genetycznego.
8. Scharakteryzuj rolę kodonów: A U G , UAA, UAG, U G A w procesie ekspresji
informacji genetycznej.
9. Korzystając z tabeli 1 na stronie 24, wykaż jednoznaczność oraz degenerację kodu genetycznego.
10. Wyjaśnij, dlaczego cząsteczki białek nazywamy makrocząsteczkami.
11. W cytoplazmie znajduje się m R N A o następującej sekwencji nukleotydów:
AUGACAAAAGGUGGCUGGUUC.
a) Zapisz sekwencję nukleotydów w dwuniciowym fragmencie DNA, na którym
zaszedł proces transkrypcji podanego odcinka mRNA.
b) Podaj, z ilu aminokwasów będzie zbudowany łańcuch peptydowy, powstały w wyniku translacji tego fragmentu mRNA.
c) Korzystając z tablicy kodu genetycznego, określ skład aminokwasowy peptydu powstałego po translacji tego odcinka mRNA.
12. Wyjaśnij, na czym polega obróbka R N A po transkrypcji.
13. Przedstaw udział wymienionych składników i struktur w procesie syntezy białka:
a) tRNA, b) mRNA, c) rRNA, d) rybosomy, e) aminokwasy.
4. Poznawanie genomu człowieka
4. Poznawanie genomu c z ł o w i e k a
4.1. Organizacja genomów
Sekwencjonowanie DNA pozwala na dokładne poznanie liczby genów danego
organizmu.
Przykłady wielkości D N A i liczby genów znanych u różnych organizmów przedstawiono w tabeli 2. Oczywiście nasuwa się pytanie, skąd
wiadomo, ile genów ma dany organizm. Jeszcze kilka lat temu wszelkie
dane dotyczące liczby genów stanowiły tylko pewne przybliżenie. Obecne dane dla wielu organizmów (w tym dla wszystkich przedstawionych
w tabeli) są wynikiem projektów sekwencjonowania DNA, czyli ustalania sekwencji (kolejności) nukleotydów D N A tych organizmów. Cały
DNA danego organizmu to jego genom. Być może z tą nazwą zetknęliście się w prasie, która donosiła o poznaniu genomu drożdży, wielu bakterii, człowieka i niedawno - w listopadzie 2002 roku - myszy.
Nazwa
Mycoplasma
genitalium (bakteria)
Escherichia
coli (bakteria)
Saccharomyces
cerevisiae (drożdże)
Caenorhabditis
elegans (nicień)
Wielkość genomu
(w milionach par zasad) - dia wszystkich
wielkość g e n o m u haploidalnego
Liczba c h r o m o s o m ó w
w haploidalnej k o m ó r c e
Liczba
genów
j wielkość
genomu
Rok ustalenia
sekwencji
genomu
0,64
1 kolisty (bakteria)
470
1995
4,6
1 kolisty (bakteria)
4288
1997
12,1
16
6034
1996
97
6
19
000
1998
46
30
000
2001
30
000
2002
Homo sapiens
(człowiek)
3500
Mus musculus
(mysz)
3000
20
Tab. 2. G e n o m y , g e n y i c h r o m o s o m y w y b r a n y c h o r g a n i z m ó w (liczby n u k l e o t y d ó w i g e n ó w u w y b r a n y c h org a n i z m ó w , dla k t ó r y c h znana jest sekwencja ich g e n o m ó w , p o d a n o w m i l i o n a c h par zasad)
Na czym polega badanie genomu danego organizmu? Obecnie, jeśli
opisać je w pewnym uproszczeniu, D N A danego organizmu izoluje się
z komórki i dzieli w sposób powtarzalny na kawałki. Potem klonuje się te
kawałki (czyli namnaża w dużej liczbie kopii) oraz ustala ich sekwencję.
Następnie konieczne jest zmontowanie całości zsekwencjonowanych
fragmentów. To wymaga, by powtarzalne fragmenty miały wspólne elementy (by ich końce zachodziły na siebie, gdyż inaczej nigdy nie zmontuje się ich z powrotem). Łatwiejsze jest złożenie sekwencji dla bakterii
mających mniej genów i pojedynczą kolistą cząsteczkę D N A niż dla organizmów eukariotycznych.
badanie genomu
danego
organizmu
u \y
31
Elementy genetyki
Czy w i e s z , ż e , , .
B a d a n i e g e n o m ó w n i e j e s t t y l k o d z i a ł a l n o ś c i ą a k a d e m i c k ą . Ż y w o z a i n t e r e s o w a n e są t y m d u ż e
k o n c e r n y f a r m a c e u t y c z n e , j a k o że d o k ł a d n e p o z n a n i e sekwencji D N A bakterii c h o r o b o t w ó r czych d a j e szansę na o p r a c o w a n i e n o w y c h l e k ó w , zaś p o z n a n i e g e n o m u c z ł o w i e k a p o z w o l i ł o b y z r o z u m i e ć , na c z y m polegają d e f e k t y w r ó ż n y c h c h o r o b a c h , k t ó r e nas trapią. D l a t e g o też
b a d a n i e g e n o m u l u d z k i e g o w y w o ł a ł o s w o i s t y r o d z a j w y ś c i g u - b a d a n i e m z a j m o w a ł y się r ó w nocześnie d w i e g r u p y badaczy - jedna związana była z p r o j e k t e m p a ń s t w o w y m ( g ł ó w n i e
U S A , A n g l i a , N i e m c y i J a p o n i a ) , d r u g ą f i n a n s o w a ł y f i r m y f a r m a c e u t y c z n e . Po u z g o d n i e n i a c h
n a b a r d z o w y s o k i m s z c z e b l u (z u d z i a ł e m p r e z y d e n t a C l i n t o n a ) , w 2 0 0 1 r o k u w y n i k i p r a c o b u
g r u p b a d a w c z y c h o p u b l i k o w a n o r ó w n o c z e ś n i e , ale o d d z i e l n i e - w d w ó c h p o w a ż n y c h czasopismach biologicznych - „Naturę" i „Science".
U eukariontów DNA jest zorganizowany (wraz z białkami) w chromosomy.
budowa chromosomu
U organizmów eukariotycznych cząsteczki DNA są liniowe i podczas
podziałów komórkowych tworzą chromosomy. W jednym chromosomie
przed podziałem komórki znajdują
się dwie bardzo długie, identyczne
cząsteczki DNA (ryc. 20). Konieczne
jest więc zmontowanie sekwencjonobiatka
wanych fragmentów w poszczególne
histonowe
c h r o m o s o m y . Takie d z i a ł a n i a są
wspomagane pracą komputerów. Podobnie za pomocą komputerów znajduje się pojedyncze geny. Procedura
ta jest znacznie prostsza u bakterii,
nić
które mają dość krótkie geny (ok.
chromaty
1 tysiąca nukleotydów), a znacznie
chromatyda
nowa
trudniejsza na przykład u człowieka,
gdzie sekwencje genów stanowią zaledwie około 3% całego D N A (trzeba
je najpierw znaleźć). Ponadto w samych genach są sekwencje (tzn. introny) nieodpowiadające białkom.
Geny człowieka mają bardzo różną
wielkość. Dla przykładu największy
znany gen ma ponad 2 miliony par
zasad (nukleotydów), czyli odpowiada 2 tysiącom przeciętnych genów
bakterii. Naukowcy przeszukują
sekwencje metodami komputerowymi, uwzględniając obszary, gdzie ciąg
Ryc. 2 0 . M o d e l p r z e d s t a w i a j ą c y s k o m p l i k o w a n y s p o s ó b „ u p a kodonów
sugeruje zapis jakiegoś białk o w a n i a " D N A w c h r o m o s o m i e oraz m i k r o f o t o g r a f i a (SEM)
ka, a także biorąc pod uwagę charakkilku l u d z k i c h c h r o m o s o m ó w z p r o f a z y m i t o t y c z n e j
32
terystyczne sekwencje dla początków i końców transkrypcji oraz styków
między sekwencjami intronów a zakodowanych fragmentów białka (eksonów).
Genomy poszczególnych organizmów różnią się nie tylko liczbą
i wielkością genów czy długością DNA. Jak już wspomniano, wszystkie
organizmy, poza bakteriami, mają D N A uorganizowany z białkami w liniowe struktury zwane chromosomami. Niektóre organizmy, na przykład drożdże, są haploidalne, jednakże większość jest diploidalna.
U organizmów diploidalnych, takich jak człowiek, haploidalne są gamety - plemnik i komórka jajowa, a w wyniku ich połączenia powstaje diploidalna, zapłodniona komórka jajowa (zygota).
haploidalność
dipioidalność
4.2. Genom człowieka
Człowiek ma 22 pary chromosomów autosomalnych i jedną parę chromosomów płci - razem 23 pary chromosomów.
Na rycinie 21 pokazano chromosomy człowieka. 22 pary chromosomów są takie same u wszystkich osób, bez względu na pleć, natomiast
1 para jest szczególna - osoba z dwoma chromosomami X jest płci żeńskiej, z jednym X i jednym Y jest płci męskiej. Chromosom Y jest sporo
mniejszy od X i wiele genów z X nie ma swoich odpowiedników w Y.
\
I
chromosomy
człowieka
I
i3\
»m pt>
I
«
s
V
J i
10
9
|
11
i
*
3
17
16
18
(k w
19
20
21
22
Ryc. 2 1 . O b r a z c h r o m o s o m ó w c z ł o w i e k a s p o d m i k r o s k o p u z o s t a ł u p o r z ą d k o w a n y w t e n s p o s ó b , ż e c h r o m o s o m y d o b r a n o p a r a m i . Tak p o w s t a ł k a r i o t y p ( w t y m w y p a d k u m ę ż c z y z n y ) .
Widoczne na zdjęciu czarne i białe prążki są wynikiem odpowiedniej
techniki barwienia. Charakterystyczny układ prążków umożliwia rozróżnienie chromosomów o podobnej wielkości.
33
Elementy genetyki
Obraz chromosomów zwany jest kariotypem.
Chromosomy człowieka są numerowane od 1 do 22 i w zasadzie ustawione kolejno według wielkości - pierwszy jest największy. W oryginalnym numerowaniu wystąpiła tylko jedna pomyłka - tak naprawdę chromosom 21 jest nieznacznie mniejszy od 22, a ponadto ma od niego
znacznie mniej genów (225 w chromosomie 21, 545 w chromosomie 22).
kształt ludzkich
Zdziwienie może budzić kształt przedstawionego na rysunku ludzkiechromosomów
go chromosomu (ryc. 20, s. 32). Nie wygląda bowiem jak liniowa cząsteczka DNA, lecz raczej jak litera X. Zazwyczaj właśnie tak przedstawia się chromosomy, jako że są najlepiej widoczne w stadium cyklu
komórkowego, gdy DNA uległ już replikacji, ale nadal chromosom jest
nierozerwany w miejscu zwanym centromerem (w profazie).
Badania ludzkich kariotypów są przeprowadzane wówczas, gdy podejrzewa się pewne choroby genetyczne (ryc. 22). Dokładne badanie kariotypu, dzięki któremu można określać na przykład bardzo niewielkie
ubytki lub przemieszczenia chromosomów, są przeprowadzane w specjalistycznych ośrodkach w Polsce i na całym świecie. Obecnie wyszukiwanie i rozróżnianie
poszczególnych chromosomów (na preparatach przygotowanych najczęściej z białych krwinek) wykonuje się komputerowo.
Nie tak dawno - około dwudziestu lat temu - preparaty fotografowano, a następnie chromosomy wycinano ze zdjęć nożyczkami i naklejano, by się upewnić, czy
Ryc. 2 2 . G e n e t y k a n a l i z u j ą c y l u d z k i e c h r o m o s o m y za
ich liczba jest właściwa i czy mają prawipomocą mikroskopu fluorescencyjnego
dłowy kształt.
zaburzenia
Warto jeszcze dodać, że pewne zaburzenia kariotypu występują tym
kariotypu związaczęściej w komórkach jajowych, im kobieta jest starsza. Dlatego też
ne z wiekiem
w wielu krajach rutynowo wykonuje się badania kariotypu płodów u kobiet będących w ciąży, jeśli skończyły one 35 lat lub jeśli w rodzinie wystąpiły już przypadki chorób wynikających z zaburzeń kariotypu (chodzi
przede wszystkim o zespół Downa; por. dalej).
Podsumowanie
1. Cały DNA danego organizmu to jego genom.
2. W genomie, w zależności od typu organizmu, jest od 500 do kilkudziesięciu tysięcy genów.
34
Ćwiczenia
1. Wspólnie z kolegami w klasie sformułujcie definicję życia. W tym celu:
a) opracuj własną definicję życia i zapisz ją na kartce;
b) przedyskutuj swoją propozycję definicji z kolegą i uzgodnijcie definicję wspólną;
c) w dwóch parach przedstawcie własne wersje definicji i uzgodnijcie wersję wspólną
dla czwórki. Następnie w dwóch czwórkach przedstawcie swoje wersje i sformułujcie
definicję ostateczną. Na koniec wytypujcie przedstawicieli grup ośmioosobowych,
którzy zaprezentują całej klasie wasze propozycje;
d) przeanalizuj przedstawione definicje życia. Określ, które są według ciebie prawidłowe, a które nie. Swoją wypowiedź uzasadnij;
e) zapisz w zeszycie tę definicję, którą uznasz za najwłaściwszą.
2. Wykorzystaj informacje zdobyte podczas wykonywania ćwiczenia 1 i w dowolnej formie
(wypowiedzi pisemnej lub udziału w dyskusji) przedstaw swoją odpowiedź na pytanie:
Czy wirus jest żywy?
3. Przygotuj krótką informację na temat badania genomów. Uwzględnij w niej wyjaśnienie, na czym to badanie polega, oraz nazwy organizmów, których sekwencję genomu
już ustalono. Przedstaw własne zdanie na temat przydatności badań genomów.
Polecenia kontrolne
1. Zdefiniuj pojęcia: genom, genotyp, kariotyp.
2. Wytłumacz różnicę pomiędzy:
a) genem a genomem,
b) genotypem a kariotypem,
c) genotypem a fenotypem,
d) organizmem haploidalnym a diploidalnym.
3. Wyjaśnij pojęcie: chromosomy homologiczne. Narysuj schematycznie komórkę diploidalną zawierającą 6 chromosomów. Opisz chromosomy homologiczne.
4. Podaj nazwę i symbol chromosomu, który nie ma pary w komórce diploidalnej człowieka.
5. Wyjaśnij, w jakim celu przeprowadza się badanie kariotypu człowieka.
35

1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej zapisana w DNA

Transkrypt

Podobne dokumenty

Dawna mapa źródłem wiedzy o świecie "Geographia historiae