Könyvespolc

A biológia hatalmas téma. A Föld bolygó az életformák megdöbbentő sokaságát tartalmazza. Már 286 000 virágos növényfaj, 500 000 gombafaj és 750 000 rovarfaj létezéséről tudunk. Ezen kívül még sok más faj felfedezése folyamatban van. Ötven évvel ezelőtt a biológia tudománya külön tudományágakra volt felosztva, amelyek mindegyike más-más szinten elemezte az életet. Volt morfológia, fiziológia, biokémia, taxonómia, ökológia, genetika és így tovább, amelyek nagyrészt különálló tudományos részlegekben dolgoztak. A genetika felfedezései azonban az egész biológia számára a legfontosabb egységesítő témák némelyikét biztosították, így most már fogalmi szálak kötik össze a részdiszciplínákat.

A genetika által biztosított legfontosabb tematikus szál szó szerint egy szál, a genetikai molekula, a DNS. Ma már tudjuk, hogy a DNS az élet minden folyamatának és szerkezetének információs alapja. A DNS-molekula olyan szerkezetű, amely az élet két kulcsfontosságú tulajdonságát, a reprodukciót és a formák létrehozását biztosítja. Ebben a könyvben megtudjuk, hogy a DNS egy olyan kettős hélixes szerkezet, amelynek eredendően olyan a felépítése, hogy két azonos másolatot lehet készíteni belőle. A DNS-replikáció az alapja minden szaporodásnak, a sejtszintű és a szervezeti szaporodásnak. A DNS a sejtosztódás előtt replikálódik, és ez teszi lehetővé, hogy a kromoszómák kromatidákra osztódjanak, amelyek végül leánykromoszómákká válnak, amelyek a leánysejtekbe kerülnek. Ez a replikációs és kromatidalakulási folyamat alapvetően hasonló az aszexuális és a szexuális sejtek osztódása során, és az 1-8. ábrán látható. (Megjegyzendő azonban, hogy a kétféle sejtosztódásnak számos különbsége van, amelyekkel a későbbi fejezetekben foglalkozunk). Ezért láthatjuk, hogy a DNS replikáció tulajdonsága az, ami lehetővé teszi, hogy a sejtek és szervezetek másolatai létrejöjjenek és fennmaradjanak az idők során (1-9. ábra). A DNS-t tehát úgy tekinthetjük, mint egy olyan fonalat, amely összeköt bennünket az összes evolúciós elődünkkel. Továbbá a DNS formát hoz létre, mert a DNS-molekula építőelemeinek lineáris sorrendjébe bele van írva egy kód, amely tartalmazza a szervezet felépítésének utasításait; ezt tekinthetjük információnak, vagy “annak, ami szükséges ahhoz, hogy formát adjon”. Egy faj egyedi tulajdonságai, legyenek azok struktúrák vagy folyamatok, aDNS hatása alatt állnak. Így a morfológusok által vizsgált struktúrák, a fiziológusok által vizsgált reakciók, az evolucionisták által vizsgált homológiák stb. mögött a DNS-molekula egységesítő szálát látjuk.

1-8. ábra

Az új sejtek keletkezésekor a DNS replikáció lehetővé teszi, hogy egy kromoszóma kromatidapárrá alakuljon, amelyek végül leánykromoszómákká válnak és átkerülnek az új sejtekbe.

1-9. ábra

A DNS-replikáció az élet időbeli fennmaradásának alapja.

A DNS gyakorlatilag ugyanúgy működik minden élőlényben. Ez önmagában is egy újabbegyesítő témát jelent, de emellett azt is jelenti, hogy amit egy szervezetben megtanulunk, az elvileg gyakran alkalmazható más szervezetekre is. Emiatt a genetika széleskörűen alkalmazza a modellszervezeteket, amelyek közül sokan megjelennek e könyv oldalain. Valójában a humángenetikában az elmúlt évtizedekben elért előrelépések nagyrészt az olyan kevéssé elterjedt modellorganizmusokkal, mint a baktériumok és gombák, elért eredményeknek köszönhetően váltak lehetővé.

A genetika a legélesebb analitikai megközelítések közül néhányat is biztosított, amelyeket ma a biológiai tudományágak teljes spektrumában alkalmaznak. A legfontosabb a genetikai boncolás technikája. Ebben a kísérleti megközelítésben bármely struktúra vagy folyamat szétszedhető, vagy “boncolható” azáltal, hogy megvizsgáljuk, hogyan befolyásolják azt a mutáns gének. Az abnormalitás tanulmányozásával következtethetünk a normális esetre. Például a megtermékenyített petesejtből származó felnőtt szervezetek fejlődésének tanulmányozása során minden olyan mutáns gén, amely fejlődési rendellenességet okoz, azonosítja a normális fejlődési folyamat egy komponensét. A bénult mutáns fonálféregtörzsek genetikai boncolása a normális mozgást irányító gének megértéséhez vezetett. Egy adott folyamat átfogó képét úgy lehet összeállítani, ha ezeket a genetikailag szabályozott komponenseket összekapcsoljuk.

Láttuk, hogy a molekuláris géntechnológia új távlatokat nyitott az alkalmazott biotechnológiában, de ugyanezek a technikák ugyanilyen hasznosak az alapkutatásban is.A tudósok géneket manipuláltak élesztőben, hogy teljesen mesterséges, funkcionális kromoszómákat hozzanak létre, amelyek hatalmas mennyiségű extra DNS-t képesek hordozni speciális kísérleti célokra. Nemrégiben még mesterséges emberi kromoszómákat is készítettek, és ezeket be lehet juttatni emlőssejtekbe, emberi és egyéb sejtekbe egyaránt. Az a képesség, hogy egy gént kémcsőben izoláljanak, szerkezetét meghatározott módon módosítsák, majd visszahelyezzék a szervezetbe, a legélesebb szikét biztosította a genetikai boncoláshoz.

Egy másik sikeres technika a specifikus gének markerként való felhasználása.Ahogyan élénk színű címkéket használnak az állatok vagy növények jelölésére valamilyen biológiai vizsgálatban, a genetikusok a gének bizonyos könnyen kimutatható formáit használják a struktúrák – kromoszómák, sejtek vagy egyének – nyomon követésére. Ezt a technikát a biológiai tudományágak széles skáláján alkalmazzák, a törvényszéki orvostudománytól a sejtbiológián át az evolúcióig és az ökológiáig. Például az emberi betegségek génjeit ma már a nem kapcsolódó markersorozatokhoz való kromoszómális közelségük alapján izolálják (a pozicionális klónozás technikája). A gének szervezetről szervezetre történő átvitelének képességével a genetikusok a rezidens géneket “riporter “génekkel helyettesítették, amelyek funkcióit könnyebb kimutatni és kísérletileg tanulmányozni. (A riportergén a markergének egy olyan típusa, amely inkább a funkciót, mint a szerkezetet jelöli.) A szentjánosbogarakból származó luciferáz gént használták fel ilyen módon; a gén beilleszthető állati vagy növényi kromoszómákba oly módon, hogy a sejtek világítani kezdjenek, bármilyen fejlődési szakaszban az eredeti gén az adott helyen aktív volt. A medúzákból származó zöld fluoreszcens fehérje génjét is használják riporterként. Az ezzel a génnel rendelkező mikroorganizmusok UV-sugárzás hatására zöld színben világítanak (1-10. ábra). Összességében a géntechnológia forradalmasította a biológiai tudományokat, és ma már egyetlen biológus sem engedheti meg magának, hogy ne ismerje ezt az erőteljes analitikai eszközt.

1-10. ábra

Transzgénikus egerek, amelyek a kromoszómájukba beillesztett zöld fluoreszcens fehérje medúza génjét tartalmazzák. (KYODO News International/AP.)

A legnagyobb biológiai sikertörténet talán az, hogy pontosan tisztázták, hogyan végzik a gének a munkájukat, más szóval, hogyan alakul az információ. Ez egy lenyűgöző történet, amely elképesztő gyorsasággal fejlődött. Ma a genetikai információ kódolása és áramlása a sejtekben a modern biológiai gondolkodás alapjai és olyan alapvonalak, amelyekből a kísérleti kutatások kiindulnak. Érdemes összefoglalni a genetikai információ áramlásának, vagy másképpen a gének működésének főbb pontjait – amit a biológia új paradigmájának neveztek.Az 1-11. ábra diagramszerűen mutatja a génműködés lényegét egy eukarióta általánosított sejtjében. Az eukarióták azok az élőlények, amelyek sejtjei membránhoz kötött sejtmaggal rendelkeznek. Az állatok, a növények és a gombák mind eukarióták. A sejtmag belsejében kromoszómák sorozata található, a sejtmagon kívül pedig a membránszerkezetek összetett sorozata, beleértve az endoplazmatikus retikulumot és a Golgi-apparátust, valamint olyan organellákat, mint a mitokondrium és a kloroplasztisz.

1-11. ábra

A génműködés egyszerűsített nézete egy eukarióta sejtben. A genetikai információ alapvető áramlása a DNS-től az RNS-en át a fehérjéig tart. A gének négy típusa látható. Az 1. gén külső szabályozó jelekre reagál, és exportálandó fehérjét állít elő; a 2. gén (tovább…)

Az eukarióta sejtmagban egyes fehérjekódoló gének többé-kevésbé folyamatosan szintetizálják fehérjeterméküket, másokat azonban a sejt vagy a szervezet szükségleteinek megfelelően kell be- és kikapcsolni. A gén aktiválásához szükséges jel érkezhet a sejten kívülről, például egy olyan anyagtól, mint egy szteroid hormon. A jel érkezhet a sejten belülről is, például egy speciális szabályozó géntől, amelynek feladata más gének be- és kikapcsolása.A szabályozó anyagok a gén egy speciális régiójához kötődnek, és elindítják a gén DNS-ének transzkriptumainak szintézisét. Az eukarióta gének fehérjét kódoló régiójában vannak olyan szakaszok, amelyeknek nem az a rendeltetése, hogy fehérjévé transzlálódjanak. A gén ezen nem kódoló régióit intronoknak nevezik; ezeket kivágják a kezdeti transzkriptumból. A fennmaradóRNS-szekvencia alkotja a hírvivő RNS-t. Az mRNS-molekulák a nukleáris pórusokon keresztül a citoplazmába jutnak, ahol a riboszómáknak nevezett citoplazmatikus organellumok kötődnek az mRNS-hez, és az mRNS-szekvenciában lévő információt fehérjévé fordítják le. Az mRNS áthalad a riboszómákon, amelyek katalizálják a polipeptid, azaz a fehérje elsődleges szerkezetét alkotó aminosavak sorának összeállítását. Minden egyes aminosavat egy specifikus transzfer RNS (tRNS) molekula juttat el a riboszómához, amely az mRNS egy adott kódoló egységéhez dokkol. A tRNS-ek speciális tRNS-génekből szintetizálódnak. A tRNS-eket soha nem fordítják le fehérjévé; folyamatosan újrahasznosulnak, és a specifikusaminosavat szállítják a riboszómákhoz. Maga a riboszóma összetett fehérjékből és többféle RNS-ből, az úgynevezett riboszomális RNS-ből (rRNS) áll. Az rRNS génjei egy speciális kromoszómarégióban, az ún. nukleoláris szervezőben találhatók. A tRNS-hez hasonlóan az rRNS-t soha nem fordítják átoproteinné.

MESSAGE

A fehérjéket kódoló gének az információátvitel két lépésén keresztül működnek:

Minden fehérjét kódoló gén egy különálló fehérjét kódol, amelynek specifikus funkciója van vagy a sejten belül (például az 1-11. ábrán látható négyzet alakú fehérje), vagy a szervezet más részeibe történő exportra (a kör alakú fehérje). Az exportra szánt fehérjék (szekréciós fehérjék) szintézise a durva endoplazmatikus retikulum felszínén elhelyezkedő riboszómákon történik, amelyek nagy, lapos, lapított vezikulák rendszere. Az elkészült aminosavláncok az endoplazmatikus retikulum lumenébe kerülnek, ahol spontán összecsukódnak, és felveszik fehérjeformájukat. A fehérjék ebben a szakaszban módosulhatnak, de végül a Golgi-apparátus kamráiba, majd a sejtmembránnal összeolvadó és tartalmukat kifelé kibocsátó szekréciós edényekbe kerülnek.

A citoszolban működésre szánt fehérjék, valamint a mitokondriumokban és kloroplasztiszokban működő fehérjék többsége a citoszolban szintetizálódik a riboszómákon, amelyek nem kötődnek membránokhoz. Például a glikolízisben enzimként működő fehérjék ezt az útvonalat követik. A fehérjeszintézis ugyanezzel a mechanizmussal történik a tRNS-ek azonos fajtáinak felhasználásával. Az elkészült fehérje leválik a riboszómáról, és a citoszolban a megfelelő formájába hajtogatódik. Az organellumokba szánt fehérjéket speciálisan megjelölik, hogy célzottan beilleszthessék őket az organellumba. Ezenkívül a mitokondriumok és a kloroplasztiszok saját kis kör alakú DNS-molekulákkal rendelkeznek. A mitokondriális vagy kloroplasztisz DNS-en lévő gének által kódolt fehérjék szintézise a riboszómákon történik, amelyek magukban az organellákban vannak. Ezért a mitokondriumokban és a kloroplasztiszokban lévő fehérjék két különböző eredetűek: vagy a sejtmagban kódoltak és importáltak a sejtmagba, vagy a sejtmagban kódoltak és a sejtmagban szintetizálódnak.

A prokarióták olyan szervezetek, mint például a baktériumok, amelyek sejtjei egyszerűbb szerkezetűek; ezekben a sejtekben nincs sejtmag vagy más membránhoz kötött struktúra. A prokarióták fehérjeszintézise általában hasonlít az eukariótákéhoz,mRNS, tRNS és riboszómák felhasználásával, de van néhány fontos különbség. Például a prokariótáknak nincsenek intronjaik.