DNA-substancja dziedziczna

Genetyka (gr. genetes „rodzić”) jest to nauka zajmująca się badaniem zjawisk dziedziczenia czyli przekazywania cech potomstwu oraz zmiennością organizmów żywych.
Informacja genetyczna jest to informacja zapisana w DNA za pomocą kodu genetycznego, dotycząca struktury białek oraz różnych rodzajów RNA; stanowi sumę informacji wszystkich genów organizmu, jest powielana w procesie replikacji DNA. Substancją genetyczną jest DNA.

Od bardzo dawna ludzie zdawali sobie sprawę, że powstawanie nowych organizmów związane jest ze szczególnym cyklem, którego kluczowym elementem jest wytworzenie przez organizm rodzicielski miniaturowego zawiązku zawierającego w sobie wszystkie informacje potrzebne do odtworzenia organizmu dorosłego.
Wraz z rozwojem wiedzy biologicznej i ulepszaniem metod obserwacji, wśród przyrodników narastało przekonanie, że powstawaniu organizmów potomnych z organizmów rodzicielskich musi towarzyszyć przekazywanie jakiegoś zminiaturyzowanego zapisu cech. Przez długi okres biologowie traktowali ten zapis jako coś zupełnie abstrakcyjnego.
W 1865 r. Grzegorz Mendel, zakonnik z klasztoru w Brnie na Morawach ogłosił niezwykle ciekawe wyniki swoich prac nad przekazywaniem cech . Mendel prowadził w ciągu wielu lat drobiazgowe obserwacje sposobu dziedziczenia łatwych do wyróżnienia cech zwykłego groszku ogrodowego. Postulował on istnienie w organizmach zawiązków cech, a jego wyniki, znane dziś jako prawa
Mendla.

Dopiero w 1944 r. Amerykański biochemik Oswald Avery i jego współpracownicy wykazali, że dodanie oczyszczonego kwasu nukleinowego pochodzącego z bakterii określonego szczepu do bakterii należących do innego szczepu przenosi na te ostatnie cechy dziedziczne charakterystyczne dla bakterii, z których pochodził kwas nukleinowy.
Kwasem nukleinowym przynoszącym cechy dziedziczne okazał się kwas dezoksyrybonukleinowy, w skrócie DNA.


DNA to makrocząsteczka zbudowana z deoksyrybonukleotydów, nazywanych nukleotydami. W niej zapisana jest informacja genetyczna o cechach i właściwościach organicznych.
Cząsteczkę DNA tworzą dwa łańcuchy owinięte wokół siebie tak, że zasady azotowe znajdują się wewnątrz. W pojedynczej nici DNA nukleotydy połączone są ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi.
Deoksyrobonukleotyd składa się z :
· zasady azotowej
· 5 węglowego cukru (deoksyrybozy)
· reszty kwasu fosforowego
Zasady azotowe są cztery:
· adenina
· guanina
są to zasady purynowe
· cytozyna
· tymina
są to zasady pirymidynowe.


A – fosforanowo – węglanowy łańcuch
B – węglowodan
C – reszta fosforowa
D – zasada azotowa



DNA występuje we wszystkich organizmach żywych i niektórych wirusach. Podczas podziału komórkowego nowe łańcuchy DNA są syntetyzowane jako kopie łańcuchów istniejących w komórce (replikacja DNA). W DNA jest zakodowana (kod genetyczny) informacja o budowie cząsteczek białek syntetyzowanych przez dany organizm (biosynteza białka, informacja genetyczna).
Replikacja DNA polega na podwajaniu i syntezie w żywych komórkach nowych cząsteczek DNA zawierających zakodowaną informację genetyczną organizmu.
Na każdym podwójnym łańcuchu spirali DNA jest syntetyzowany komplementarny nowy łańcuch DNA. Obie nowo powstające cząsteczki DNA mają jeden łańcuch stary i jeden nowy i jest to tak zwana replikacja semikonserwatywna. Proces replikacji jest bardzo precyzyjny i stanowi podstawę przekazywania identycznej informacji genetycznej do nowych komórek i pokoleń osobników.
Replikację przeprowadzają enzymy polimerazy DNA , syntetyzują one komplementarne nowe łańcuchy DNA z występujących w komórce pojedynczych nukleotydów, łącząc je wiązaniami estrowymi. Synteza poprzedza rozkręcenie podwójnej spirali DNA wskutek działania innych enzymów; powstają krótkie odcinki jedno łańcuchowe tworzące tak zwane widełki replikacyjne. Następnie polimeraza DNA syntetyzuje na obu odcinkach nowe krótkie odcinki DNA zwane fragmentami OKAZAKI.
Oprócz ogólnej replikacji DNA występują jeszcze zjawiska replikacji lokalnej DNA, reparacyjnej – usuwanie uszkodzeń w DNA, i rekombinacyjnej, związanej z wymianą odcinków między dwoma odcinkami DNA.
Błędy w replikacji DNA mogą prowadzić do powstawania mutacji.

Gen jest podstawową jednostką dziedziczenia, jest odcinkiem DNA zawierającym w sobie informacje o kolejności reszt aminokwasowych w pojedynczym łańcuchu polipeptydowym albo nukleotydów w rRNA lub tRNA.
Geny znajdują się w chromosomach , ułożone liniowo w ściśle określonej kolejności – są to odcinki DNA w których sekwencja ułożenia zasad azotowych wzdłuż łańcuchów DNA stanowi informację genetyczną o zdolności do syntezy przez organizm swoistych białek lub cząsteczek RNA. Geny występują także u bakterii i wirusów, nie posiadających typowych chromosomów.
Dzięki precyzyjnej replikacji DNA geny wykazują znaczną stałość i przy podziałach komórkowych są przekazywane w postaci identycznych kopii komórkom potomnym, a przez komórki rozrodcze kolejnym pokoleniom organizmów.
W zależności od różnych efektów fenotypowych, od sposobu czy stopnia przejawiania się genu, rozróżnia się wiele ich kategorii:
· geny dominujące i recesywne (dominowanie i recesywność)
· geny epistatyczne i hipostatyczne (epistaza i hipostaza)
· poligeny
itd. ...

Z punktu widzenia mechanizmu działania genu rozróżnia się:
· geny struktury ( strukturalne) zawierające informacje o syntezie białek
· geny regulatorowe (regulatory) regulujące aktywność genu struktury.

U prokariontów część kodująca polipeptyd jest jedną, ciągłą sekwencją nukleotydów w DNA wyznaczającą sekwencje aminokwasów w polipeptydzie. U eukariontów część kodująca polipeptyd często jest nieciągła i składa się z odcinków kodujących, eksonów, przedzielonych odcinkami DNA niekodującymi – intronami.
Termin GEN wprowadził w 1909r. W. L. Johannesen.


Biosynteza białka to enzymatyczny proces łączenia aminokwasów w łańcuchy polipeptydowe o specyficznej sekwencji aminokwasów zachodzący w żywych organizmach, uwarunkowany genetycznie. Właściwości poszczególnych białek każdego organizmu są zaszyfrowane w kwasach deksyrybonukleinowych genów jądra komórkowego. Informacja o sekwencji aminokwasów w danym białku jest przez DNA przekazywana (tzw. transkrypcja) powstającemu w jądrze informacyjnemu kwasowi rybonukleinowemu, który w przypadku eukariotów ulega procesowi cięcia i składania, a następnie jako gotowa matryca przemieszcza się do cytoplazmy komórki. Tu przebiega proces aktywacji aminokwasów z udziałem wysokoenergetycznego adenozynotrifosforanu. Aktywne aminokwasy łączą się z przenoszącymi kwasami rybonukleinowymi . Te połączenia układają się kolejno (tzw. translacja) za pośrednictwem rybosomu na matrycy mRNA w sposób określony przez zawartą w nim informację. Między sąsiadującymi na matrycy aminokwasami tworzą się kolejno wiązania peptydowe i powstający łańcuch polipeptydowy zsyntetyzowanego białka wydłuża się stopniowo. Po zakończeniu syntezy białko odłącza się od rybosomu, przyjmując właściwą sobie strukturę przestrzenną; nowo powstałe białko, zależnie od pełnionej funkcji, może ulegać modyfikacjom.
Proces biosyntezy białek prowadzi m.in. do syntezy białek enzymatycznych i hormonów białkowych kierujących całą przemianą materii w sposób właściwy dla danego organizmu. W organizmach wielokomórkowych rodzaj, ilość cząsteczek poszczególnych białek, szybkość ich biosyntezy są bardzo precyzyjnie regulowane. Biosynteza białek jest jednym z głównych procesów wymagających dostarczania energii. U ssaków biosynteza białek przebiega najszybciej w ścianie jelita i gruczole mlecznym; około połowy białek syntetyzuje się w wątrobie.

Dziedziczenie cech zależy od określonej sekwencji nukleotydów w DNA . Istnieje dużo czynników tzw. Mutagenów , które uszkadzają nici DNA . Do tych czynników należą : promieniowanie i związki chemiczne . Działanie mutagenów zwiększa częstość zachodzenia Mutacji . Mutacja może dotyczyć genu lub całego chromosomu , a wówczas polega na zmianie jego struktury lub całego chromosomu . Większość tych mutacji jest letalna czyli powoduje śmierć zarodków we wczesnym stadium rozwoju . Niektóre komórki organizmu człowieka przekształcają się w nowotworowe . Przyczyną zakażenia organizmu człowieka są : dym papierosowy , spaliny , grzyby pleśniowe . Mutacje mogą spowodować u człowieka zaburzenia w rozwoju umysłowym i fizycznym . Takim przykładem może być choroba zwana zespołem Downa . Choroba ta może być dziedziczona przez kolejne pokolenia . Przyczyną tej choroby jest występowanie w komórkach człowieka trzech chromosomów numer dwadzieścia jeden ( 21 ) zamiast dwóch ( 2 ) . Objawami zespołu Downa są : niski wzrost , skośne oczy , fałdy na powiekach oraz słaby rozwój ruchowy i umysłowy . Innym przykładem choroby spowodowanej przez mutację jest anemia sierpowata . Powoduje ona uszkodzenie struktury hemoglobiny . Na terenach o wysokich temperaturach rozwija się często pasożytniczy pierwotniak zwany "zarodźcem malarycznym " .Rozwija się on u ludzi z normalną hemoglobiną i powoduje ich śmierć , co jest przyczyną rozwoju wadliwego genu . Mutageny atakują też komórki skóry człowieka powodując raka skóry . Niektóre atakują krew powodując białaczkę zwaną rakiem krwi .

Wszyscy dobrze wiemy, że dzieci są w mniejszym lub większym stopniu podobne do swoich rodziców, dziadków i rodzeństwa, ale czy można przewidzieć, jak będą wyglądały kolejne pokolenia? Odpowiedzi, przynajmniej częściowej, mogą udzielić nam naukowcy badający procesy dziedziczenia, czyli genetycy.
Podstawą istnienia u danego osobnika określonego zespołu cech anatomicznych i fizjologicznych, którymi ten osobnik odróżnia się od innych jest dziedziczność. Dziedziczność jest to zdolność przekazywania cech przez organizmy macierzyste na potomne. Dzięki dziedziczności organizm potomny jest tak ukształtowany, że do swego życia i rozwoju wymaga podobnych warunków jak jego przodkowie.
W patologii dziedziczność odgrywa dużą rolę. Wskutek dziedziczności ustrój może przekazywać swojemu potomstwu skłonność do pewnych chorób lub niekiedy przeciwnie, może przekazywać odporność. Genetycy odkryli różne geny recesywne i dominujące. Na przykład gen kręcący włosy, koloru oczu, bądź podobnych rysów twarzy jest genem dominującym, natomiast gdy nierozróżniamy koloru czerwonego od zielonego to cecha recesywna. Chorobę tą przenoszoną z rodzica na dziecko nazywamy daltonizmem. Innymi chorobami dziedzicznymi jest na przykład hemofilia (rzadka choroba, powodująca zaburzenia w krzepliwości krwi) jest kolejną cechą recesywna. Choroby dziedziczne to wady wrodzone, to znaczy wady, z którymi przychodzi na świat nowo narodzone dziecko. Od wad wrodzonych niedziedzicznych, jak ubytek w przegrodzie międzykomórkowej czy zniekształcone kończyny, różnią się tym, że te ostatnie są wynikiem nieprawidłowości rozwojowych płodu w łonie matki.
Zagadką jest samo pochodzenie wadliwych genów. Najbardziej prawdopodobnie brzmi wyjaśnienie, że ich pojawienie się jest kwestią przypadku. Podczas wczesnych faz powstawania komórki płciowej zachodzi chemiczny proces precyzyjnego kopiowania chromosomów. Znamy dwie główne przyczyny chorób dziedzicznych. Pierwszą i najczęstszą jest brak jednego genu lub jego wada. Drugą przyczyną może być nieprawidłowa liczba chromosomów.
Przy milionach powtórzeń tego procesu i milionach kopiowanych za każdym razem związków chemicznych błędy muszą nieuchronnie wystąpić. Nawet najprostsza zmiana zostanie następnie przekazana podczas zapłodnienia, a potomstwo urodzi się żywe, będzie odtwarzana ciągle od nowa w komórkach dzieci tego człowieka. Nowe geny tworzą się przez powielenie genów już istniejących, brak zmian oznaczałby zatrzymanie się procesu ewolucji. Co więcej, nigdy nierozwinelibyśmy się wtedy z prymitywnych organizmów jednokomórkowych i rasa ludzka nie miałaby szans pojawienia się na świecie.
Problem wad dziedzicznych jest jeszcze bardziej skomplikowany przez fakt, iż geny wykazują swą siłę nie tylko w kategoriach dominujących nad innymi genami, ale także przez stopień penetracji. Penetracja może być słaba lub silna. Na przykład utrwalone zgięcie palców jest wywoływane przez gen dominujący, więc może się ujawnić w dziedziczeniu metodą jednoczynnikową ( dziedziczność jednoczynnikowa działa stosunkowo prosto i dostarcza dość pewnych informacji o przyszłym potomstwie, o jego ogólnym stanie zdrowia i naturze). Jednak stopień, w jakim człowiek będzie cierpiał na tę chorobę może być różny - od poważnego zgięcia kilku palców (penetracja pełna) do zgięcia tylko jednego palca (penetracja częściowa).
Odziedziczenie takich cech, jak hemofilia, zależy wyłącznie od zachowania pojedynczej pary genów, jednak inne cechy, jak wzrost czy inteligencja, bywają tak zróżnicowane, że nie mogą podlegać wysoko wyspecjalizowanych jednostkach, jakimi są geny. Te zmienne cechy podlegają w rzeczywistości kilku genom współdziałającym. Każdy gen współdziałający w pewnym stopniu przyczynia się do efektu końcowego.
Choroby takie jak hemofilia występują z pokolenia na pokolenie, zatem lekarze są w stanie określić prawdopodobieństwa urodzenia się chorego dziecka u danej pary. Wada genetyczna występuje u ponad jednego procenta wszystkich noworodków. Jeśli kobieta i mężczyzna mają już dziecko z wadą genetyczną, ryzyko, że następne dziecko też będzie chore, jest znacznie wyższe. Lekarz zajmujący się chorobami genetycznymi potrafi ocenić i zbadać, jakie jest ryzyko przekazania choroby potomstwu. Po pierwsze, trzeba narysować drzewo genealogiczne, ze szczególnym uwzględnieniem krewnych, u których wystąpiła rozpatrywana choroba, albo którzy mogą być nosicielami wadliwego genu. Po drugie, przeprowadza się badania pary pacjentów w celu sprawdzenia, czy skład chemiczny organizmu bądź budowa komórek krwi wykazuje jakieś odchylenia od normy zdradzającej wadę genetyczną. Po trzecie, chromosomy rodziców są dokładnie zbadane pod mikroskopem. Na tej podstawie oblicza się prawdopodobieństwo wykrycia wady dziedzicznej.
Informacje zebrane przez lekarzy genetyków wykazuje, że kobiety w wieku powyżej 35 lat dużo częściej rodzą dzieci z zespołem Downa. U matek w wieku 20 lat choroba pojawia się raz na 1200 porodów. U czterdziestoletnich matek relacja ta wynosi jeden do pięćdziesięciu. Jest możliwe wykonanie testu na obecność zespołu Downa już w czasie ciąży. Badanie nazywa się punkcją owodni, a polega na pobraniu próbki płynu otaczającego embrion. W płynie tym znajduje się pewna liczba komórek embriona.
Natura zwykle sama poprawia swoje błędy i embrion wyposażony w bardzo wadliwe chromosomy nie rozwija się prawidłowo i zostaje usunięty z organizmu w sposób naturalny. Jeśli jednak dziecko z chorobą dziedziczną przyjdzie na świat, często możliwe jest leczenie. Hemofilitycy otrzymują preparaty poprawiające krzepliwość krwi, wyprodukowane z krwi zdrowych ludzi. Skutkom fenyloketonurii, polegającej na braku jednego aminokwasu, co może doprowadzić do uszkodzenia mózgu, można przeciwdziałać specjalnie kontrolowaną dietą. Niestety zespół Downa i daltonizm są nieuleczalne. Dzieciom chorym na jedną z tych dwóch chorób zapewnia się znaczną opiekę i bezpieczeństwo.
Naukowcy pracują nad sposobami wymiany bądź naprawy wadliwych chromosomów, być może wkrótce będzie możliwe zapobieganie wielu chorobom dziedzicznym za pomocą zmiany materiału genetycznego w plemniku i komórce jajowej.


DNA jest substancją dziedziczną i tę tezę potwierdzają trzy procesy zachodzące u bakterii.
Pierwszy proces to transformacja czyli zmiana cech dziedzicznych danego szczepu bakterii, tzw. biorcy, pod wpływem pobranego DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego) innego szczepu, tzw. dawcy, o odmiennych cechach. Fragmenty pobranego DNA zostają wbudowane we własny DNA biorcy i bakterie te uzyskują cechy komórek bakterii dawcy. Zjawisko transformacji pierwszy zaobserwował 1928 F. Griffith, a wyjaśnili 1944 O.T. Avery, C.M. Macleod i M. McCarthy; ich odkrycia i dalsze badania transformacji przyczyniły się do uznania DNA za materialne podłoże dziedziczności w całym świecie ożywionym. Obecnie transformacją nazywa się wprowadzenie DNA do komórek wszelkich organizmów za pomocą różnych metod, jak np.: za pomocą wektorów pochodzenia plazmidowego bądź wirusowego, przez traktowanie sklonowanymi genami komórek pozbawionych błon, przez wstrzykiwanie DNA mikropipetami wprost do jąder lub wstrzeliwanie do komórek preparatów DNA na powierzchni cząsteczek złota czy też innych metali. Komórki transformowane (transformanty) selekcjonuje się na odpowiednich pożywkach selekcjonujących. Transformanty mogą być nietrwałe — gdy wprowadzony, obcy DNA nie zostaje integrowany do genomu biorcy, bądź też trwałe — gdy obcy DNA jest włączony do genomu biorcy. Jeśli obcy DNA jest włączony na miejsce homologicznego genu biorcy, transformacja jest homologiczna, jeśli w jakiekolwiek inne miejsce, transformacja jest heterologiczna; transformacja nowotworowa jest wynikiem włączenia do genomu komórki biorcy onkogenów wprowadzonych przez wirusy onkogeniczne. W wyniku transformacji komórek jajowych zwierząt czy też regeneracji transformowanych komórek roślinnych otrzymuje się transgeniczne organizmy zawierające w komórkach obcy gen bądź inny fragment DNA.
Kolejnym procesem jest transdukcja czyli przenoszenie DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego, w którym zakodowana jest informacja dziedziczna) z jednej komórki bakteryjnej do drugiej, za pośrednictwem bakteriofagów; fragmenty DNA bakterii, w której przebywał bakteriofag, zostają włączone do jego kapsydu (płaszcza białkowego) lub wbudowane w jego DNA, a po wniknięciu faga do bakterii innego szczepu są włączane z kolei do DNA tych bakterii; uzyskują one w ten sposób odpowiednie cechy szczepu dawcy DNA.
Trzecim i ostatnim procesem jest koniugacja czyli łączenie się w pary (biwalenty) chromosomów homologicznych w pierwszej fazie redukcyjnego podziału jądra komórkowego (mejoza); umożliwia zajście procesu crossing-over oraz redukcję liczby chromosomów w gametach lub zarodnikach u roślin.