1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej

Elementy genetyki 1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej 1.1. Informacja o budowie i funkcjonowaniu organizmu zapisana w DNA początki genetyki jako nauki doświadczenia na bakteriach wywołujących zapalenie ptuc 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. 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 żywe bakterie łagodne i zabite zjadliwe l brak objawów choroby i zmiana pojawienie się żywych bakterii zjadliwych; choroba Ryc. 1. Schemat doświadczeń z myszami zakażonymi dwoinką zapalenia ptuc 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). I wykazanie podstawowej funkcji ONA + bez zmian + zmiana martwe bakterie z otoczką (z roztożonym DNA) żywe bakterie bez otoczki (niezjadliwe) żywe bakterie bez otoczki martwe bakterie, w których nie rozłożono DNA, lecz rozłożono inne substancje, np. białko żywe bakterie bez otoczki (niezjadliwe) żywe bakterie z otoczką (zjadliwe) Ryc. 2. Schemat doświadczenia polegającego na mieszaniu różnych szczepów: A - gdy rozłożono DNA, B - gdy nie rozłożono DNA w bakteriach z otoczką. 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 Rok 1953 był przełomowy w biologii. W tym czasie James Watson DNA i Francis Crick (ryc. 3), na podstawie badań strukturalnych Maurice Wilkinsa i Rosalind Franklin, zaproponowali model budowy kwasu deoksyrybonukleinowego (ryc. 4). DNA 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 DNA złożony jest z dwóch nici leżących naprzeciwko siebie, przy czym każda nić to długi łańcuch nukleotydów (DNA jest więc dwuniciowym polinukleotydem). Ryc. 3. James Watson i Francis Crick XT..,,.... Nici są ze sobą połączone wiązaniami wodorowymi. cechy budowy 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 DNA wyznacza budowę drugiej nici, mówimy zatem, że dwie nici są komplementarne, czyli wzajemnie się uzupełniające. Ze względu na formę przestrzenną dwuniciowa cząsteczka DNA nosi nazwę podwójnej helisy. Pod takim tytułem (Podwójna helisa) Watson wydał wspomnienia o odkryciu budowy DNA*. nukleotyd adeninowy Ryc. 4. Dwuniciowa cząsteczka DNA wyglądem przypomina skręconą drabinę: A - zdjęcie mikroskopowe DNA w komórce bakterii, B i C - modele fragmentu 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 XX wieku.

1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej DNA ulega replikacji semikonserwatywnej. Łatwo jest sobie wyobrazić, jak przebiega replikacja (kopiowanie) DNA - dwie nici się rozchodzą i do każdej dobudowywana 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 DNA jest stara (zostaje zachowywana), druga natomiast - nowa (ryc. 5). Ze względu na komplementarność zasad łatwo stwierdzić, co powstanie w wyniku replikacji. W rzeczywistości replikacja DNA w organizmie wymaga udziału bardzo wielu białek, a rozpoczęcie procesu jest bardzo ściśle regulowane. Mechanizm replikacji można w uproszczeniu przedstawić następująco (ryc. 6): - dochodzi do lokalnego rozplecenia nici podwójnej helisy, co prowadzi 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) NOWA NIĆ stara cząsteczka Ryc. 5. Schemat replikacji semikonserwatywnej przebieg replikacji STARA NIC T A l \ G G A c K3 c K» T ^ T p p p ' nowy nukleotyd kierunek wydłużania 4 nowej nici Ryc. 6. Przebieg replikacji - moment włączenia nukleotydu adeninowego A 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 DNA (człowieka czy bakterii) jest taka sama w całym świecie ożywionym. Zawsze występują cztery nukleotydy i niemal zawsze cząsteczki DNA są dwuniciowe (wyjątkiem są niektóre wirusy mające DNA 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 DNA w jądrze komórkowym (w postaci cząsteczek liniowych). Ponadto w niektórych organellach komórkowych - mitochondriach oraz (tylko u roślin i niektórych protistów) w chloroplastach występuje DNA w postaci cząsteczek kolistych. Ilość DNA w tych organellach jest niewielka, jednak jest ono potrzebne do ich prawidłowego funkcjonowania. W jądrze komórkowym znajduje się od kilku do kilkudziesięciu cząsteczek DNA tworzących chromatynę (liczba cząsteczek DNA jest cechą gatunkową!). Podsumowanie 1. Materiałem genetycznym organizmów jest DNA. 2. Jednostkami budulcowymi DNA są nukleotydy. W DNA występują cztery rodzaje nukleotydów różniących się od siebie zasadami azotowymi (A, T, G, C). 3. DNA 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 DNA 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

1. DNA - podstawowy nośnik informacji genetycznej 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 DNA 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 DNA 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 DNA stanowią nukleotydy z cytozyną. Przedstaw i wyjaśnij sposób obliczenia. 10. Podaj kolejność nukleotydów w łańcuchu DNA komplementarnym do łańcucha...atcgca.... Narysuj ten fragment cząsteczki DNA, wykorzystując schematy cząsteczek przedstawione poniżej. Dla przejrzystości rysunku nie przedstawiaj spiralnego skręcenia nici. guanina deoksyryboza kwas fosforowy c cytozyna tymina adenina 13

Elementy genetyki 2. Gen - podstawowa jednostka dziedziczenia informacja zawarta w DNA wpływ odkryć w dziedzinie medycyny odkrycie funkcji genu różnice w budowie genu u orga- : nizmów prokarioi tycznych i eukariotycznych doświadczenia Grzegorza Mendla 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. 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 DNA (i informacja o cesze zawarta jest w jednej z nici DNA). Bardzo rzadko w jednym odcinku DNA może się znajdować kilka zachodzących na siebie genów - bywa tak u wirusów, a także w mitochondrialnym DNA człowieka. Gen jest jednostką dziedziczenia i podlega pewnym prawom. Zrozumienie, czym jest gen, było możliwe dzięki pracom prowadzonym w drugiej połowie XIX wieku. To wówczas nie zespół uczonych, lecz jedna osoba - Grzegorz Mendel» (opat zakonu augustianów 14

2. Gen - podstawowa jednostka dziedziczenia 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 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 czerwonych. Krzyżując potomstwo P: ze sobą (Fj x F t ), uzyskał w drugim pokoleniu potomnym rozkład 3 :1 czerwonych X AA do białych. A, A Mendel zwrócił uwagę na fakt, że krzyżowanie roślin o kwiatach czerwonych z białymi dało wyłącznie rośliny o kwiatach czerwonych. Gdy jednak te potomne czerwone rośliny skrzyżowano ze sobą, w powstały także rośliny białe. Mendel słusznie wywnioskował, że cecha białości kwiatów jest zawarta w roślinach F,, chociaż nie jest widoczna. Jednak jest przenoszona z pokolenia na pokolenie. Mendel jako pierwszy wykazał bezpośredni związek pomiędzy fenotypem (ogółem cech organizmu), a genotypem (zestawem genów danego organizmu)*. linia czysta # a, a ff, X Aa \ ęęę : A, a A, a AA \ Aa \ Aa \ Proporcje fenotypów w F, % p = 0,5 p = 0,5 3 1 A a kwiaty kwiaty czerwone białe p = 0,5 Proporcje genotypów w F2 AA Aa A AA Aa P = 0,5 a Aa aa Ryc. 7. Krzyżówka groszku z linii czystych różniących się barwą kwiatów (p - prawdopodobieństwo) *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 każdej gamecie jest obecna tylko jedna kopia (allel) danego genu. Allele: : dominujące recesywne * X kwiaty czerwone Aa ) A nie dominuje całkowicie nad a. Ryc. 8. Dominacja niezupełna analiza : dziedziczenia dwóch cech kwiaty białe kwiaty różowe 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 pewnym genie związanym z metabolizmem cholesterolu są zdrowe, osoby o mutacji w jednej kopii genu mają skłonność do zawałów serca w wieku kilkanaście lat młodszym niż przeciętny (ok. 40 lat). Osoby z dwoma zmutowanymi allelami często mają zawały serca już przed dwudziestym rokiem życia. Jest to bardzo pouczający przykład sytuacji, w której po to, by organizm działał prawidłowo, potrzebne są obie czynne kopie genu. Mendel badał też wyniki krzyżowania roślin różniących się dwiema różnymi cechami. Rośliny mogą mieć nasiona gładkie (allel dominujący B) lub pomarszczone (allel recesywny b) oraz żółte (D) albo zielone (d). Krzyżując roślinę o nasionach gładkich i żółtych (homozygota BBDD) 16 'Mutacja to zmiana w DNA, zjawisko to przeanalizujemy później.

2. Gen - podstawowa jednostka dziedziczenia 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: Symbole alleli: BbDd BBDD re) (w bbdd BbDd B - żótta barwa nasion b - zielona barwa nasion D - gtadka powierzchnia d - pomarszczona powierzchnia Proporcje fenotypów: p=0,25 BD p=0,25 Bd 9 gtadkie żótte p=0,25 bd p=0,25 bd BD O O O O p=0,25 BBDD BBDd BbDD BbDd Bd O fh O SU p=0,25 BBDd BBdd BbDd Bbdd bd O O o p=0,25 BbDD BbDd bbdd bbdd bd O p=0,25 BbDd Bbdd bbdd bbdd 3 gładkie zielone - kombinacje z pól: @ @ (3) (4) (7)@ @ @ dają rośliny o nasionach żółtych, gładkich - kombinacje z pól: (6) (8) @ dają rośliny o nasionach żółtych, pomarszczonych - kombinacje z pól: (fi) @ dają rośliny o nasionach zielonych, gładkich - kombinacja z pola @ daje rośliny o nasionach zielonych, pomarszczonych pomarszczone żótte 1 pomarszczone zielone Proporcje genotypów: 2 1 2 4 2 1 2 1 BBDD BBDd BBdd BbDD BbDd Bbdd bbdd bbdd bbdd Ryc. 9. Krzyżówka roślin o nasionach różniących się dwiema cechami (p - prawdopodobieństwo powstania) 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 organizm produkuje gamety w ten sposób, że allele z jednej genów wchodzą do gamet, niezależnie od alleli innych par genów. pary Dlatego też roślina BbDd produkuje cztery rodzaje gamet BD, Bd, bd oraz bd w jednakowych ilościach. 17

Elementy genetyki doświadczenia Tomasza Morgana samiec Prace Mendla na tyle wyprzedzały swoją epokę, że pozostały niezauważone aż do ponownego niezależnego ich odkrycia na początku XX 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 DNA (ponieważ jest wiele kopii tego DNA 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. 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 XX 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 - XX 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). ne muszki (typ dziki) mają oczy czerwone, istnieją też muszki z mutacją recesywną w tym genie, które mają oczy białe. Jak pokazano na schemacie (ryc. 11), nie uzyska się takiego samego wyniku, na przykład krzyżusamica Ryc. 10. Muszka owocowa jest doskona tym obiektem badań genetycznych. geny sprzężone z ptcią Morgan wykrył ponadto geny sprzężone z płcią, na przykład jeden z genów warunkujących barwę oka u muszek, który mieści się w chromosomie X (nie ma go natomiast w chromosomie Y). Normal- 18

2. Gen - podstawowa 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. P: x a x a XA Y N oczy białe ci oczy czerwone? x oczy czerwone oczy biate W gametach: X a, X a X A Y W W gametach: X* 4, X" 4 X a Y^ Fi: oczy czerwone xa x a oczy biate xa Y (~) oczy czerwone xa x a oczy czerwone XA Y H A -allel dominujący, warunkujący czerwoną barwę oczu a - recesywny allel X A - chromosom X X a - chromosom X Y ( chromosom Y białej barwy oczu z allelem/t z allelem a (nie występują w nim allele/1 ani też allele a) Ryc. 11. Przykład dziedziczenia cechy sprzężonej z płcią (dwie krzyżówki tzw. odwrotne) 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 tylmapowanie genów 19

Elementy genetyki zjawisko crossing-over 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 b (I) 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 < I IJ A b C ) a B a b i. Il II] para chromosomów homologicznych na początku mejozy (każdy chromosom sktada się z dwóch chromatyd) crossing-over para chromosomów homologicznych po crossing-over chromosomy potomne w komórkach po mejozie Ryc. 12. Ogólny morfologiczny mechanizm crossing-over wyjaśnia, jak dochodzi do wymieszania materiatu genetycznego w obrębie jednej pary chromosomów homologicznych (analizowano przypadek 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. 20 'Krzyżowanie z osobnikiem aabb, wnoszącym tylko allele recesywne, pozwala na ujawnienie, jakie są gamety heterozygoty, a więc jaki jest jej genotyp.

2. Gen - podstawowa jednostka 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. Wy- t korzystując dane z tabeli, ułóż, krzyżówki genetyczne ilustrujące: _ a) I prawo Mendla (prawo czy- J stości gamet), b) II prawo Mendla (prawo niezależnej segregacji alleli). Cecha dominująca Policzki z dotkami Uszy odstające Wtosy nierude Wtosy nieskręcone Wargi szerokie b) allel recesywny, cecha recesywna. Cecha recesywna policzki bez dotków uszy przylegające wtosy rude wtosy kręcące się, sfalowane 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. Informacja zapisana w genie i jej odczytywanie Wiemy już, że DNA 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 DNA 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 4 2 = 16 możliwości (czyli za mało), jeśli 3 nukleotydy, to są 4 3 = 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). 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 DNA - GAC oznacza leucynę. informacja o biatkach zapisana w DNA aminokwasy Cechy kodu genetycznego: trójkowy uniwersalny jednoznaczny zdegenerowany niezachodzący bezprzecinkowy * Jednak nie wszystkie hormony są białkami! 23

( odstępstwa od kodu genetycznego 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 DNA 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 DNA geny zachodzą na siebie. Często dzieje się to wtedy, gdy DNA ma ograniczoną długość (u wirusów, które muszą zmieścić w swoich otoczkach DNA o małej długości). Znacznie ważniejsza, niż pamiętanie o takich wyjątkach, jest wiedza o tym, że zasady kodowania są takie same w całym świecie ożywionym. uuu fenyloalanina UCU seryna UAU tyrozyna UGU cysteina uuc 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 Tab. 1. Tabela kodu genetycznego (zamieszczono trójki nukleotydów mrna) 24

3. Informacja zapisana w genie i jej odczytywanie 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 DNA 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. 13. Cząsteczka RNA-związek ten ma najczęściej prostszą budowę przestrzenną niż DNA. budowa cząstecz- RNA pełni przeróżne funkcje w komórce, niektóre z nich zostaną opisane w dalszych częściach tego rozdziału. Charakterystyczna dla RNA jest jednoniciowość. Jego cząsteczki zawierają także cztery nukleotydy, ale odpowiednikiem T jest bardzo podobny nukleotyd urydynowy - U (zawiera zasadę - uracyl). W nukleotydach RNA zamiast cukru deoksyrybozy obecna jest ryboza. Cząsteczki RNA występujące w komórce mają bardzo różne długości, od kilkudziesięciu do wielu tysięcy nukleotydów. ki RNA Czy wiesz, że... Istnieje wiele rodzajów cząsteczek RNA w komórce i ciągle wykrywa się nowe. W świecie biologów istnieje swoisty wyścig w odkrywaniu cząsteczek i procesów. Co roku któreś z odkryć uznaje się za najbardziej ciekawe. W roku 2002 za takie uznano wykrycie malutkich cząsteczek RNA, których istnienia jeszcze 10 lat wcześniej nikt nie podejrzewał, a które odgrywają ważną rolę w regulacji działania genów. 25

Elementy genetyki proces transkrypcji informacja zawarta w mrna A T G C T A A G C G A T A T A C G A T T C G C T A T Ryc. 14. Istota transkrypcji 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 DNA i prześledźmy, w jaki sposób informacja zapisana w genie da w efekcie białko. Zacznijmy od tego, że gen ulega aktywacji, gdy pewne bodźce (wynikające z sygnałów docierających do komórki) spowodują powstanie roboczej" kopii jednej z nici DNA w postaci RNA. Proces powstawania RNA - kopii DNA - 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, w którym się kończy. W efekcie transkrypcji genu kodującego białko powstaje cząsteczka mrna (ang. messenger - posłaniec, przekaźnik). To właśnie w mrna - roboczej kopii DNA - zapisana jest informacja o syntezie danego DNA białka (ryc. 14). W wyniku transkrypcji innych genów powstają odpowiednie rodzaje TRANSKRYPCJA RNA pełniące pomocnicze funkcje w biosyntezie białka (por. dalej). mrna Wniosek: informacja o każdym RNA jest zapisana w odpowiednim genie. Rozpoczęcie syntezy RNA 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 A U G C U A A G C G A U A 26

3. Informacja zapisana w genie i jej odczytywanie 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 RNA (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 -jak się montuje filmy: pewne elementy są wycinane, a pozostałe kawałki RNA - 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 INTRON EKSON INTRON EKSON DNA TRANSKRYPCJA EKSON INTRON EKSON INTRON EKSON WYCINANIE WYCINANIE prekursor RNA ł OBRÓBKA POSTTRANSKRYPCYJNA EKSON EKSON EKSON.-- mrna Ryc. 15. Powstawanie mrna u eukariontów jest bardzo skomplikowanym procesem. 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 mrna, odczytanie zawartej w nim informacji i połączenie po kolei odpowiednich aminokwasów zapisanych w mrna. 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