Wikipedysta:Glodar/Brudnopis2
Z Wikipedii
Gen - funkcjonalna jednostka dziedziczności, stanowiąca odcinek DNA, która jest odpowiedzialna za kodowanie i regulację powstawania kompletnego polipeptydu. Trzeba zaznaczyć, że białka zazwyczaj są kodowane przez więcej niż jeden gen, a jeden gen może brać udział w kodowaniu kilku białek. U eukariotów gen jest fragmentem chromosomu. U prokariotów geny znajdują się w genoforze.
W wyniku działania genów i środowiska mamy do czynienia z rozwojem organizmu i jego fenotypem.
UWAGA! Jeśli mówimy o genie jako najmniejszej jednostce dziedziczności, to tylko wtedy, gdy pomijamy strukturę DNA!
Spis treści |
[edytuj] Historia
Pod koniec XIX wieku badacze (jeszcze nieświadomie) zaczęli rozwijać nową dziedzinę nauki - genetykę. Johann Friedrich Miescher w 1868 roku odkrył nukleinę (wyizolowaną z ropy), parę lat później Albrecht Kossel znalazł ten sam związek w komórkach grasicy i nazwał ją kwasem tymonukleinowym. Następnie wyizolowano kwas drożdżowy (dzisiejszy kwas rybonukleinowy RNA). Substancjom tym nie przypisywano wtedy cech dziedzicznych. Dopiero gdy szwajcarski botanik Karol Wilhelm Naegeli wysunął pogląd, że "przyczyna ewolucji leży w czynnikach wewnętrznych", zaczęto wyobrażać sobie abstrakcyjną, wewnątrzkomórkową jednostkę dziedziczności. W bardzo burzliwym dla genetyki i całej biologii okresie - początkach XX wieku - Wilhelm Johannsen wprowadził pojęcie genu (lecz ponieważ nie znano wtedy struktury takiej jak DNA, mianem genu opisywano po prostu pojęcie mówiące o warunkowaniu prostej cechy w organizmie i możliwość jej przenoszenia na potomstwo). W dziedzinie biochemii tą charakterystykę uzupełniono połączeniem genu z enzymem lub białkiem, po jednym dla każdego genu. Krokiem milowym w genetyce była ogłoszona przez Thomasa Hunta Morgana teoria chromosomowa, według której chromosomy są nośnikami cząstek dziedziczenia - genów, po czym Francis Crick i James Watson ustalili budowę podwójnej helisy DNA. William Bateson wprowadził pojęcia genu dominującego i genu recesywnego. Dzisiejsze rozumienie genu jest bardzo skomplikowane, powstała jego fizyczna definicja, poznano także wiele procesów związanych z genami i całym genomem.
[edytuj] Definicja
[edytuj] Struktura genów i ich organizacja
DNA jest polimerem składającym się z dwóch nici, tzw. polinukleotydów (zobacz: podwójna helisa) - nici matrycowej (niekodującej, antysensownej) i nici niematrycowej (kodującej, sensownej). Nić matrycowa zawiera użyteczną informację biologiczną (służy do syntezy komplementarnej cząsteczki RNA, która jest matrycą do syntezy polipeptydu). Każda nić jest długim łańcuchem, budowanym przez nukleotydy. Sekwencje nukleotydów są genami. Długość genu w nici DNA może być bardzo różna, waha się w granicach od mniej niż 100 do kilku milionów par zasad (nukleotydów). Geny mogą umiejscawiać się w chromosomach, w których są bardzo rozproszone i pooddzielane nieużytecznymi sekwencjami (takie odcinki nazywa się DNA intergenowym lub intronem). Introny zajmują większość ogólnego DNA (np. u człowieka sekwencje genów stanowią jedynie 30% ogólnego DNA).
Należy zaznaczyć, iż pojemność informacyjna DNA jest ogromna, określa się ją wzorem 4n, gdzie n jest liczbą tworzących polinukleotyd nukleotydów.
Pojedynczy nukleotyd składa się z cukru, aromatycznej zasady azotowej i grupy fosforanowej.
 |
 |
Cukier jest pentozą nazywaną deoksyrybozą, jest to pochodna rybozy, w której grupa -OH przy węglu 2 została zastąpiona wodorem. Oprócz tego w skład nukleotydu wchodzi jedna z czterech zasad: adenina, guanina, tymina lub cytozyna. Adenina i guanina są związkami dwupierścieniowymi (określane jako puryny), natomiast cytozyna i tymina są jednopierścieniowymi pirymidynami. Atomy węgla w cząsteczce cukru są oznaczone numerami od 1 do 5, z dodatkowym znakiem prim odróżniającym je od numerów atomów w cząsteczce zasady. Gdy zasady połączą się z cukrem wiązaniem między węglem 1' cukru a azotem 9 puryn lub azotem 1 pirymidyn, powstaje nukleozyd. Aby nukleozyd stał się nukleotydem, musi się do węgla 5' cukru przyłączyć grupa fosforanowa (PO4). Do cukru może się przyłączyć więcej niż jedna grupa fosforanowa (określa się je kolejno od miejsca połączenia z cukrem jako α, β i γ i nazywa trifosforanami nukleozydów).
Produktem łączenia się trifosforanów nukleozydów są polinukleotydy. Do syntezy polinukleotydów DNA są wykorzystywane: 2'-deoksyadenozyno-5'-trifosforan (dATP lub A), 2'-deoksyguanozyno-5'-trifosforan (dGTP lub G), 2'-deoksycytydyno-5'-trifosforan (dCTP lub C) oraz 2'-deoksytymidyno-5'-trifosforan (dTTP lub T). Grupy fosforanowe β i γ są usuwane podczas polimeryzacji, a monomeryczne nukleotydy łączą się poprzez pozostały fosforan. Fosforan 5' jednego nukleotydu tworzy wiązanie z węglem 3' następnego nukleotydu, przy czym podczas reakcji zachodzi eliminacja grupy -OH związanej z węglem 3'. Utworzone wiązanie nazywa się wiązaniem 3'-5'-fosfodiestrowym.
Łańcuch polinukleotydowy na jednym końcu - końcu 5' - ma wolny 5'-trifosforan, a na drugim końcu - określanym jako koniec 3' - wolną grupę 3'-hydroksylową. Różnica końców nadaje polinukleotydom DNA polarność, można więc powiedzieć, że cząsteczka DNA biegnie w kierunku 5' → 3' lub w kierunku 3' → 5'. Informacja genetyczna jest kodowana przez sekwencje zasad w polinukleotydach DNA i określa się ją dla łańcucha biegnącego w kierunku 5' → 3'.
[edytuj] Rodziny genów
Uznaje się, iż geny są w chromosomach rozproszone, czyli rozmieszczone bez konkretnego schematu. Mimo to, niektóre z nich grupują się w zorganizowane zespoły - operony i rodziny wielogenowe. Operony występują u bakterii. Geny w operonach regulowane są w skoordynowany sposób i kodują białka, których funkcje są ściśle powiązane. Operon dzieli się geny operonu oraz promotor (regulacyjny odcinek DNA, który kieruje włączaniem i wyłączaniem genów operonu). Rozróżniamy operony indukowane i hamowane (zobacz: Regulacja ekspresji). U organizmów wyższych występują rodziny wielogenowe, w których geny są bardzo podobne (lub identyczne) i nie są regulowane wspólnie. Rozróżnia się proste rodziny wielogenowe zawierające geny identyczne, na których produkty komórki mają duże zapotrzebowanie, a także złożone rodziny wielogenowe zawierające geny podobne (nie identyczne), kodujące podobne białka (mogące różnić się tylko kilkoma aminokwasami).
Rodziny wielogenowe mogą występować w postaci zespołów znajdujących się w różnych chromosomach (rozerwanie zespołów nastąpiło w toku ewolucji, przypuszczalnie przez rearanżację DNA, czyli odwrócenie, podwojenie, delecję lub, jak w tym przypadku, przestawienie odcinków DNA).
[edytuj] Geny RNA
W niektórych przypadkach, RNA może być pośrednim lub funkcjonalnym produktem działania genów. Sekwencje DNA na których transkrybowane są takie cząsteczki RNA nazywamy genami RNA (mogą znajdować się one w intronach). Zsyntetyzowane cząsteczki RNA mają różne funkcje, na przykład rybosomy (makrocząsteczki złożone z rRNA i białek) dokonują translacji mRNA na białka, natomiast cząsteczki miRNA regulują ekspresję innych genów.
Retrowirusy cały swój materiał genetyczny przechowują w RNA. Dzięki temu mogą syntetyzować białka zaraz po zarażeniu (nie muszą "czekać" na transkrypcję).
[edytuj] Ekspresja genów
Informacja biologiczna zawarta jest w DNA, a zwłaszcza w jego fragmentach - genach. Proces odczytywania tej informacji przez komórkę (i wykorzystywania jej) nazywamy ekspresją genów. Ekspresja polega na przepisaniu DNA na RNA, który kieruje potem syntezą białka (którego aminokwasy są dyktowane przez RNA). Sekwencja zasad genu jest współliniowa z sekwencją aminokwasów polipeptydu kodowanego przez ten gen.
[edytuj] Kod
Kod genetyczny jest opisem sposobu, w jaki sekwencje zasad DNA lub RNA zostają przekształcone w sekwencje aminokwasów podczas biosyntezy białek. Sekwencje zasad dzielimy na kodony, czyli 64 trójki zasad, które określają 20 aminokwasów. Degeneracja kodu genetycznego minimalizuje efekty mutacji (kilka kodonów koduje ten sam aminokwas, różniąc się jedynie pozycją tolerancji).
[edytuj] Transkrypcja
Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji genów (przepisywanie DNA na RNA). Polimerazy RNA syntetyzują cząsteczki RNA, które jako matrycę wykorzystują DNA. RNA powstaje na nici matrycowej i ma sekwencje nici niematrycowej (zobacz: podwójna helisa, zasada komplementarności). Syntetyzowaną cząsteczkę RNA nazywamy transkryptem i może ona ulec translacji lub być wykorzystana jako rRNA lub tRNA. Podczas transkrypcji polimeryzowane są trifosforany nukleozydów (zobacz: Struktura genów i ich organizacja).
[edytuj] U Prokaryota
Rozróżnia się trzy etapy transkrypcji: inicjację, elongację i terminację. Inicjację rozpoczyna sygnał z sekwencji zasad promotora (leżącego przed sekwencją genu który ma ulec transkrypcji). Do promotora w dwóch miejscach (sekwencja -10 i sekwencja -35) przyłącza się polimeraza RNA (wiązaniem kieruje czynnik σ (zobacz: Czynniki sigma). Powstaje zamknięty kompleks promotorowy. W rejonie sekwencji -10 dwuniciowa helisa DNA ulega dysocjacji pod wpływem polimerazy RNA i powstaje otwarty kompleks promotorowy. Czynnik σ oddysocjowuje od polimerazy RNA, pozostawiając związany rdzeń enzymu (dwie podjednostki α, β i β'). Synteza RNA jest zainicjowana. Elongacja polega na przesuwaniu się polimerazy RNA wzdłuż cząsteczki DNA (rozplatając helisę i dołączając rybonukleotydy do rosnącego łańcucha RNA). W miarę przesuwania się, DNA odtwarza rozplecioną helisę. Terminacja natomiast polega na oddzieleniu się transkryptu od matrycy i polimerazy RNA (która asocjuje ponownie z podjednostką σ i przechodzi do kolejnej rundy transkrypcji). U E. coli dochodzi do tego poprzez tworzenie się struktury typu spinka (hairpin), która jest sygnałem do rozpoczęcia terminacji. Polimeraza RNA pauzuje tuż za strukturą spinki i transkrypt odłącza sie od matrycy (poprzez słabe paru A-U lub wiązanie białka ρ (Rho), które zrywa zasady między transkryptem a matrycą).
[edytuj] U Eukaryota
Zachodzi podobnie jak u prokariotów. Inicjacja jest jednak bardziej skomplikowana, terminacja zachodzi bez tworzenia struktury spinki, a samą transkrypcję katalizują polimerazy I, II i III.
[edytuj] Translacja
[edytuj] Regulacja ekspresji
[edytuj] U Prokaryota
Równoczesna ekspresja wszystkich genów bakterii jest bezcelowa (wyłączając operony, które obejmują geny o podobnych lub powiązanych funkcjach). W danej chwili komórka bakteryjna tak reguluje swoją aktywność genów, że syntetyzowane są tylko te produkty, które są niezbędne do funkcjonowania komórki (np. jeśli dany aminokwas jest w otoczeniu komórki, to nie wytwarza ona enzymu do syntezy tego aminokwasu). Regulacja ekspresji pozwala więc na reagowanie na stan otoczenia komórki (np. na brak lub obecność substancji odżywczych) i stężenie produktu danego genu. Ilość produktu genu określa szybkość syntezy tego produktu, która zmienia się pod wpływem zmian szybkości transkrypcji genu, półokresowości trwania mRNA i szybkości translacji.
[edytuj] Czynniki sigma
Bakteryjna polimeraza RNA jest zbudowana z pięciu podjednostek białkowych (α2, β, β' i σ). Czynnik sigma (σ) odpowiada za inicjację transkrypcji i rozpoznawanie nukleotydowych sekwencji bakteryjnych promotorów. Bakterie mogą syntetyzować alternatywne czynniki sigma, zdolne do rozpoznawania różnych promotorów i inicjując ich transkrypcję. Możliwość tą bakterie wykorzystują w sytuacji radykalnych zmian ich środowiska, kiedy to zmieniają się ich potrzeby, przez co muszą ulec zmianie transkrybowane zestawy genów. Najczęściej występuje czynnik σ70 (u E.coli), lecz znane są także inne:
- Czynnik σ32 przy szoku termicznym: powstaje gdy bakterię E.coli hoduje się w podwyższonej temperaturze, czynnik ten kieruje syntezą 17 białek w odpowiedzi na szok termiczny.
- Czynniki sigma podczas sporulacji u Bacillus subtilis : w czasie niesprzyjających warunków bakterie te przechodzą w etap sporulacji. Wymaga to poważnych zmian w ekspresji genów (synteza większości białek musi zostać zablokowana, a rozpoczęta produkcja tych odpowiedzialnych za wznowienie syntezy białka w razie powstawania spor). Zmianami tymi kierują czynniki sigma.
- Czynniki sigma bakteriofagów: bakteriofagi mogą wykorzystywać polimerazę RNA gospodarza (czyli bakterii), dołączając jedynie swoje czynniki sigma (które rozpoznają polimerazę RNA). Polimeraza transkrybuje wtedy preferencyjne geny bakteriofaga. Możliwe jest też, aby bakteriofag wytwarzał serię czynników sigma, które pozwolą na czasową kontrolę ekspresji jego genów.
[edytuj] Operony indukowane
Zawierają geny kodujące enzymy zaangażowane w szlakach katabolicznych. Ekspresję takiego operonu kontroluje substrat (substancja wyjściowa dla danego toru katabolicznego). Przykładem może być operon laktozowy lac. W skład operonu lac wchodzą geny parmeazy laktozowej, β-galaktozydazy oraz transacetylazy β-galaktozydazowej. Nazywamy je kolejno genami lac Z, Y, A i są transkrybowane wspólnie. Obecność laktozy pobudza ekspresję i wytwarzanie enzymów-produktów operonu.
Przed operonem lac znajduje się promotor lacI, ulegający niezależnej ekspresji. Jego produkt - represor lac - reguluje ekspresję genów lac Z, Y i A. Pod nieobecność laktozy represor lac wiąże się z sekwencją DNA nazywaną operatorem (znajdującym się między promotorem lac a początkiem genu lac Z). Taki związany represor blokuje transkrypcję genów operonu. Aby wznowić transkrypcję, w otoczeniu komórki musi pojawić się laktoza. Po wprowadzeniu jej do komórki (przez pozostałości enzymów w komórce) i jej rozkładzie pojawia się allolaktoza, która wiąże się wtedy z represorem lac, który odblokowuje drogę polimerazie RNA. Pojawiają się nowe enzymy (jako produkty genów operonu), które intensywnie pobierają laktozę z otoczenia i rozkładają ją. Gdy wyczerpią się zapasy laktozy sytuacja się powtarza i operon zostaje "zablokowany" przez represor lac.
Istnieje także drugi, alternatywny sposób kontrolowania operonu lac. Jest nim represja kataboliczna, mechanizm pozwalający reagować komórce na obecność glukozy poprzez wyłączenie operonu lac. Nawet jeśli w otoczeniu jest też laktoza, komórka najpierw wykorzystuje zasoby glukozy, która jest preferowanym przez nią źródłem energii.
// graf represja
Główną rolę w represji pełni białko CAP (białkowy aktywator kataboliczny). Wiąże się ono z łańcuchem DNA powyżej promotora lac, zwiększając aktywność transkrypcyjną operonu. CAP może związać się tylko w obecności cAMP, który obecny jest tylko wtedy, gdy obecna jest glukoza. Cyklaza adenylowa katalizuje tworzenie cAMP. Jeśli poziom dostępnej glukozy jest wysoki, to adenylocyklaza jest zablokowana i poziom cAMP jest niski (nie może się wiązać powyżej operonu, przez co operon jest transkrybowany z niską wydajnością). Natomiast jeśli poziom glukozy jest niski, to adenylocyklaza jest aktywna i poziom cAMP się podnosi (kompleks CAP-cAMP wiąże się powyżej promotora lac, a operon jest szybko transkrybowany). Jeśli glukoza i laktoza są obecne w otoczeniu komórki, to poziom transkrypcji jest bardzo niski. Po wykorzystaniu glukozy, represja zostaje przerwana, rozpoczyna się transkrypcja operonu i komórka powykorzystuje zasoby laktozy.
[edytuj] Operony hamowane
Zawierają geny kodujące enzymy szlaków biosyntetycznych. Ich ekspresja kontrolowana jest przez produkty szlaku metabolicznego.
[edytuj] U Eukaryota
[edytuj] Replikacja
[edytuj] Mutacje
[edytuj] Pseudogeny
Pseudogeny tworzą się w toku ewolucji - następuje mutacja (np. generacja kodonów STOP prowadząca do przedwczesnej terminacji translacji), przez co gen traci aktywność. Potem mogą następować kolejne, nagromadzające się mutacje, w znaczny sposób oddalające pseudogen od jego wyjściowej postaci genowej. W związku z tym, do niedawna pseudogeny były uważane za odcinki DNA nie zawierające żadnej użytecznej informacji biologicznej (co ciekawe, pseudogeny przetworzone charakteryzują się brakiem intronów, a więc sekwencji nieużytecznych). Dziś uważa się jednak, iż pseudogen może być matrycą dla RNA kontrolującego działanie genu, od którego pochodzi pseudogen [1][2][3]. Pseudogeny pełnią więc bardzo ważną funkcję - są zmodyfikowaną kopią genu, używaną w razie uszkodzenia właściwego genu[4]. Uszkodzenie pseudogenu może spowodować śmierć organizmu [5].
[edytuj] Genom
Przypisy
- ↑ Hirotsune, S., N. Yoshida, et al. (2003). "An expressed pseudogene regulates the messenger-RNA stability of its homologous coding gene." Nature 423(6935): 91-6.
- ↑ Svensson, O., L. Arvestad, et al. (2006). "Genome-wide survey for biologically functional pseudogenes." PLoS Comput Biol 2(5): e46.
- ↑ Evgeniy S. Balakirev and Francisco J. Ayala, "Pseudogenes: Are They ‘Junk’ or Functional DNA?" Annual Review of Genetics 37 (2003): 91-96.
- ↑ Hirotsune, S. et al., "Addendum: An Expressed Pseudogene Regulates the messenger-RNA Stability of Its Homologous Coding Gene," Nature 426 (2003): 100.
- ↑ W. Wayt Gibbs, "Genomowe klejnoty i śmieci", Świat Nauki 12/2003.
[edytuj] Zobacz też
- genetyka, genomika
- intron, ekson
- gen recesywny, gen dominujący
- przegląd zagadnień z zakresu biologii
af:Geen ar:مورثة bs:Gen bg:Ген ca:Gen cs:Gen da:Gen de:Gen et:Geen el:Γονίδιο en:Gene es:Gen eo:Geno eu:Gene fr:Gène gl:Xene ko:유전자 io:Geno id:Gen is:Erfðavísir it:Gene he:גן (ביולוגיה) ka:გენი lv:Gēns lt:Genas hu:Gén mk:Ген ms:Gen nl:Gen ja:遺伝子 no:Gener nn:Gen pt:Gene ro:Genă ru:Ген sq:Gjeni simple:Gene sk:Gén sl:Gen sr:Ген fi:Geeni sv:Gen ta:மரபணு th:หน่วยพันธุกรรม vi:Gene tr:Gen uk:Ген ur:وراثہ yi:גען zh:基因
