Bookshelf
Biologia to ogromny temat. Planeta Ziemia zawiera oszałamiający wachlarz form życia. Wiemy już o istnieniu 286 000 gatunków roślin kwitnących, 500 000 gatunków grzybów i 750 000 gatunków owadów. Ponadto, wiele gatunków jest wciąż odkrywanych. Pięćdziesiąt lat temu nauka biologii była podzielona na odrębne dyscypliny, z których każda analizowała życie na innym poziomie. Była morfologia, fizjologia, biochemia, taksonomia, ekologia, genetyka i tak dalej, wszystkie pracujące w dużej mierze w oddzielnych przedziałach akademickich. Jednak odkrycia ingenetics dostarczyły niektóre z najważniejszych tematów jednoczących dla całej biologii, tak że teraz koncepcyjne wątki łączą subdisciplines.
Główny wątek tematyczny dostarczony przez genetykę jest dosłownie wątek, geneticmolecule DNA. Wiemy teraz, że DNA jest informacyjną podstawą leżącą u podstaw wszystkich procesów i struktur życia. Cząsteczka DNA ma strukturę, która odpowiada za dwie z kluczowych właściwości życia, reprodukcję i generowanie formy. W tej książce dowiemy się, że DNA jest strukturą podwójnie helikalną, której nieodłączną cechą jest to, że może być replikowana, tworząc dwie identyczne kopie. Replikacja DNA jest podstawą dla wszystkich reprodukcji, komórkowych i organizmów. DNA replikuje się przed podziałem komórki, a to pozwala chromosomom dzielić się na chromatydy, które ostatecznie stają się chromosomami córkami, które przechodzą do komórek potomnych. Ten proces replikacji i formowania chromatyd jest zasadniczo podobny podczas podziału zarówno komórek bezpłciowych, jak i płciowych, i został przedstawiony na rysunku 1-8. (Zauważcie jednak, że te dwa typy podziału komórek mają wiele różnic, które omówimy w późniejszych rozdziałach). Stąd widzimy, że jest to właściwość replikacji DNA, która umożliwia tworzenie replik komórek i organizmów i utrzymywanie się ich w czasie (Rysunek 1-9). Tak więc DNA może być postrzegane jako nić łącząca nas z wszystkimi naszymi ewolucyjnymi przodkami. Co więcej, DNA generuje formę, ponieważ w liniowej sekwencji bloków budulcowych cząsteczki DNA zapisany jest kod, który zawiera instrukcje dotyczące budowy organizmu; możemy to postrzegać jako informację lub „to, co jest niezbędne do nadania formy”. Unikalne cechy gatunku, czy to struktury, czy procesy, są pod wpływemDNA. Tak więc, u podstaw struktur badanych przez morfologów, reakcji badanych przez fizjologów, homologii badanych przez ewolucjonistów i tak dalej, widzimy jednoczącą nić cząsteczki DNA.
Rysunek 1-8
Gdy powstają nowe komórki, replikacja DNA umożliwia chromosomowi przekształcenie się w parę chromatyd, które ostatecznie stają się chromosomami córkami i przechodzą do nowych komórek.
Rysunek 1-9
Replikacja DNA jest podstawą utrwalania życia w czasie.
DNA działa praktycznie w ten sam sposób we wszystkich organizmach. To samo w sobie stanowi kolejny jednoczący temat, ale dodatkowo oznacza, że to, czego uczymy się w jednym organizmie, często może być zastosowane w zasadzie do innych. Z tego powodu genetycy szeroko wykorzystują organizmy modelowe, z których wiele pojawi się na stronach tej książki. W rzeczywistości, postępy poczynione w genetyce człowieka w ciągu ostatnich dekad były możliwe w dużej części dzięki postępom poczynionym z tak mało organizmów modelowych, jak bakterie i grzyby.
Genetyka dostarczyła również niektóre z najbardziej wnikliwych podejść analitycznych stosowanych obecnie w całym spektrum dyscyplin biologicznych. Najważniejszą z nich jest technika genetycznej dysekcji. W tym doświadczalnym podejściu, każda struktura lub proces może zostać rozebrany na części, lub „rozebrany”, patrząc na to, jak zmutowane geny wpływają na to. Poprzez badanieabnormalności, możemy wydedukować normalny przypadek. Na przykład, w badaniu rozwoju dorosłych organizmów z zapłodnionego jaja, każdy zmutowany gen, który produkuje nieprawidłowości rozwojowe identyfikuje składnik w normalnym procesie rozwoju. Genetyczna sekcja sparaliżowanych zmutowanych szczepów nicieni doprowadziła do zrozumienia genów, które kontrolują normalne poruszanie się. Ogólny obraz danego procesu może być złożony przez powiązanie wszystkich tych genetycznie kontrolowanych składników.
Widzieliśmy, że molekularna inżynieria genetyczna otworzyła nowe perspektywy w biotechnologii stosowanej, ale te same techniki są równie użyteczne w badaniach podstawowych.Naukowcy manipulowali genami w drożdżach w celu wytworzenia całkowicie sztucznych, funkcjonalnych chromosomów, które mogą przenosić ogromne ilości dodatkowego DNA dla określonych celów eksperymentalnych. Ostatnio wyprodukowano nawet sztuczne chromosomy ludzkie, które mogą być wprowadzane do komórek ssaków, zarówno ludzkich, jak i innych. Zdolność do izolowania genu w probówce, do modyfikowania jego struktury w specyficzny sposób, a następnie do ponownego wprowadzenia go do organizmu, dostarczyła najostrzejszych skalpeli do genetycznej dysekcji.
Inną udaną techniką jest użycie specyficznych genów jako markerów.Podobnie jak można użyć jaskrawo kolorowych znaczników do oznaczania zwierząt lub roślin w jakimś badaniu biologicznym, genetycy używają pewnych łatwo wykrywalnych form genów do śledzenia struktur-chromosomów, komórek lub osób. Technika ta znalazła zastosowanie w całym spektrum dyscyplin biologicznych, od kryminalistyki, przez komórkobiologię, po ewolucję i ekologię. Na przykład, geny chorób ludzkich są obecnie izolowane na podstawie ich chromosomalnej bliskości do niezwiązanych z nimi sekwencji markerów (technika klonowania pozycyjnego). Dzięki możliwości przenoszenia genów z organizmu do organizmu, genetycy zastąpili geny rezydentne genami „reporterowymi”, których funkcje są łatwiejsze do wykrycia i eksperymentalnego zbadania. (Gen reporterowy jest rodzajem genu markerowego, który oznacza raczej funkcję niż strukturę.)W ten sposób wykorzystano gen lucyferazy pochodzący z komarów; gen ten może być wprowadzony do chromosomów zwierzęcych lub roślinnych w taki sposób, że powoduje świecenie komórek na każdym etapie rozwoju, na którym oryginalny gen w tym miejscu był aktywny. Agen dla zielonego białka fluorescencyjnego z meduzy jest również używany jako reporter. Mikroorganizmy z tym genem świecą na zielono pod wpływem promieniowania UV (Rysunek 1-10). Podsumowując, inżynieria genetyczna zrewolucjonizowała nauki biologiczne i żaden biolog nie może sobie dziś pozwolić na ignorancję tego potężnego narzędzia analitycznego.
Rysunek 1-10
Transgeniczne myszy zawierające gen meduzy dla białka zielonej fluorescencji wprowadzony do ich chromosomów. (KYODO News International/AP.)
Przesłanie
Analiza genetyczna jest obecnie podstawową techniką we wszystkich dziedzinach biologii.
Prawdopodobnie największym sukcesem biologicznym jest wyjaśnienie, w jaki dokładnie sposób geny wykonują swoją pracę, innymi słowy, w jaki sposób informacja staje się formą. Jest to fascynująca historia, która rozwinęła się z zadziwiającą szybkością. Dziś kodowanie i przepływ informacji genetycznej w komórkach to fundamenty nowoczesnej myśli biologicznej i podstawa, od której rozpoczynają się eksperymentalne poszukiwania. Warto podsumować najważniejsze informacje na temat przepływu informacji genetycznej lub, równoważnie, działania genów, co zostało nazwane nowym paradygmatem biologii.Rysunek 1-11 przedstawia schematycznie najważniejsze elementy działania genów w uogólnionej komórce eukariota. Eukariotami są te organizmy, których komórki mają jądro połączone błoną komórkową. Wszystkie zwierzęta, rośliny i grzyby są eukariotami. Wewnątrz jądra znajduje się układ chromosomów, a poza nim złożony układ struktur błoniastych, w tym retikulum endoplazmatyczne i aparat Golgiego oraz organelle, takie jak mitochondria i chloroplasty.
Rysunek 1-11
Uproszczony widok działania genów w komórce eukariotycznej. Podstawowy przepływ informacji genetycznej odbywa się od DNA do RNA i do białka. Pokazane są cztery rodzaje genów. Gen 1 odpowiada na zewnętrzne sygnały regulacyjne i wytwarza aproteiny na eksport; gen 2 odpowiada na (więcej…)
Wewnątrz jądra eukariotycznego, niektóre geny kodujące białka syntetyzują swoje produkty białkowe mniej lub bardziej stale, ale inne muszą być włączane i wyłączane w zależności od potrzeb komórki lub organizmu. Sygnał do aktywacji genu może pochodzić spoza komórki, na przykład z substancji takiej jak hormon steroidowy. Sygnał może też pochodzić z wnętrza komórki, na przykład ze specjalnego genu regulacyjnego, którego zadaniem jest włączanie i wyłączanie innych genów. Substancje regulacyjne wiążą się ze specjalnym regionem genu i inicjują syntezę transkryptów DNA tego genu. W regionie kodującym białko genu eukariotycznego znajdują się odcinki, które nie są przeznaczone do translacji na białko. Te niekodujące regiony genu nazywane są intronami; są one wycinane z pierwotnego transkryptu. Pozostała sekwencja RNA stanowi posłańcze RNA. Cząsteczki mRNA przedostają się przez pory jądrowe do cytoplazmy, gdzie cytoplazmatyczne organelle zwane rybosomami wiążą się z mRNA i przekształcają informację zawartą w sekwencji mRNA w białko. MRNA przechodzi przez rybosomy, które katalizują składanie polipeptydu, czyli ciągu aminokwasów, który będzie stanowił podstawową strukturę białka. Każdy aminokwas jest doprowadzany do rybosomu przez specyficzną cząsteczkę transferowego RNA (tRNA), która doczepia się do specyficznej jednostki kodującej mRNA. Synteza tRNA odbywa się na podstawie specjalnych genów tRNA. Żaden z tRNA nie jest w ogóle tłumaczony na białko; podlegają one ciągłemu recyklingowi, dostarczając swój specyficzny aminokwas do rybosomów. Sam rybosom składa się ze złożonego zestawu białek oraz kilku rodzajów RNA zwanego rybosomalnym RNA (rRNA). Geny dla rRNA znajdują się w specjalnym regionie chromosomalnym zwanym organizatorem jąderkowym. Podobnie jak tRNA, rRNA nigdy nie jest tłumaczony na białko.
Wiadomości
Geny kodujące białka funkcjonują poprzez dwa etapy przekazywania informacji:
Każdy gen kodujący białko koduje oddzielne białko, pełniące specyficzne funkcje wewnątrz komórki (na przykład białko kwadratowe na rysunku 1-11) lub przeznaczone do eksportu do innych części organizmu (białko kołowe). Synteza białek przeznaczonych na eksport (białek wydzielniczych) odbywa się na rybosomach, które znajdują się na powierzchni retikulum endoplazmatycznego szorstkiego, systemu dużych, spłaszczonych pęcherzyków. Skompletowane łańcuchy aminokwasowe przedostają się do światła retikulum endoplazmatycznego, gdzie ulegają spontanicznemu sfałdowaniu, przybierając kształt białek. Białka mogą być modyfikowane na tym etapie, ale ostatecznie są przekazywane do komór aparatu Golgiego, i dalej do naczyń wydzielniczych, którefuse z błony komórkowej i uwolnienia ich zawartości na zewnątrz.
Białka przeznaczone do funkcjonowania w cytosolu, a większość białek, które funkcjonują w mitochondriach i chloroplastach, są syntetyzowane w cytosolu na rybosomach niezwiązanych z błonami. Na przykład, białka, które funkcjonują jako enzymy w glikolizyisfolizują tą drogą. Synteza białek zachodzi w tym samym mechanizmie, przy użyciu tych samych rodzajów tRNA. Gotowe białko odłącza się od rybosomu i w cytozolu składa się do właściwego kształtu. Białka przeznaczone dla organelli są specjalnie znakowane w celu umieszczenia ich w organellach. Ponadto mitochondria i chloroplasty mają własne, małe, koliste cząsteczki DNA. Synteza białek zakodowanych przez geny na mitochondrialnym lub chloroplastowym DNA odbywa się na rybosomach wewnątrz samych organelli. Dlatego białka w mitochondriach i chloroplastach mają dwa różne pochodzenie, albo kodowane przez jądro i importowane do organelli, albo kodowane przez organelle i syntetyzowane w obrębie organellompartment.
Prokariota to organizmy takie jak bakterie, których komórki mają prostszą strukturę; nie ma jądra ani innych struktur związanych z błoną w komórkach. Synteza białek u prokariotów ogólnie przypomina tę u eukariotów, z wykorzystaniem mRNA, tRNA i rybosomów, ale istnieją pewne istotne różnice. Na przykład, prokariota nie mają intronów.
Wiadomości
Przepływ informacji z DNA do RNA do białka stał się jednym z fundamentów biologicznego zrozumienia.
.
Leave a Reply