Prof dr hab. Janusz Stanisław Keller
INFORMACJA GENETYCZNA. OD GENOTYPU DO FENOTYPU (2)
Przekazywanie informacji genetycznej na poziomie biosyntezy peptydów.
Gen jako jednostka dziedziczności
Rola białka w organizmie człowieka. Pojedynczy gen jest najmniejszą jednostką dziedziczności przekazywaną z pokolenia na pokolenie i odpowiada za zdolność organizmu żywego do biosyntezy jakiegoś konkretnego peptydu, czyli łańcucha cząsteczek chemicznych zbudowanego z określonych aminokwasów uszeregowanych w odpowiednim porządku. Z jednego lub kilku peptydów utworzone są cząsteczki białek, czyli – według współczesnej definicji – bardzo precyzyjnych maszyn molekularnych przetwarzających materię, energię i informację.
Białka są jakby tworzywem życia, materialnym nośnikiem wszystkich procesów zachodzących w organizmie. Jako enzymy trawią one pożywienie oraz regulują w każdej komórce ciała przemianę materii i energii. Jako główne elementy krwi transportują do tkanek tlen, dwutlenek węgla i wchłonięte składniki pokarmowe oraz umożliwiają wydalanie produktów przemiany materii. Wchodząc w skład błon komórkowych, decydują o kierunku i tempie przenikania przez nie różnych związków chemicznych. Z uwagi na posiadanie zdolności rozpoznawania ciał obcych tworzą złożone systemy obronne, bez których organizm nie mógłby funkcjonować w nieprzyjaznym dla niego środowisku. Jako hormony koordynują w organizmie wielonarządowym wszystkie procesy fizjologiczne.
W organizmie człowieka funkcjonuje około 30 tysięcy białek. Do ich budowy służy 20 aminokwasów, które łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi i tworzą łańcuchy zbudowane z kilkudziesięciu do kilkuset ogniw. W skład pojedynczego łańcucha może wchodzić od kilku do kilkunastu rodzajów aminokwasów. Na skutek oddziaływań fizyko-chemicznych występujących między poszczególnymi aminokwasami łańcuchy peptydowe mogą łączyć się w większe jednostki, a ponadto ulegają zawsze różnego rodzaju zmianom konfiguracyjnym, tworząc cząsteczki białek o kształtach kulistych, włókienkowych, harmonijkowych itp. Dla własności funkcjonalnej określonego białka fundamentalne znaczenie ma rodzaj i kolejność ułożenia poszczególnych aminokwasów w łańcuchu peptydowym. Ten właśnie rodzaj aminokwasów oraz kolejność ich ułożenia w peptydzie są zakodowane genetycznie i w odniesieniu do każdego białka zostają w procesie rozrodu przekazywane ściśle z pokolenia na pokolenie.
Mechanizm biosyntezy peptydów. Informacja genetyczna kodująca strukturę wszystkich peptydów syntetyzowanych w danym organizmie znajduje się (w 99,999 %) w chromosomach jądrowych oraz (w około 0,0005-0,001%) w mitochondriach (pozajądrowych strukturach komórkowych) każdej komórki tego organizmu. Tak więc wszystkie geny pojedynczego organizmu tworzą jego tak zwany genom jądrowy oraz genom mitochondrialny. W procesie dziedziczenia informacji genetycznej u organizmów rozdzielnopłciowych biorą udział – rzecz jasna – jedynie komórki płciowe (gamety), czyli plemniki i jaja. W czasie mejozy (powstawania gamet w organizmach ojca i matki) substancja dziedziczna zawarta w genomach jądrowych każdego z rodziców ulega redukcji do połowy, natomiast genom mitochondrialny jest dziedziczony w całości. W wyniku tego każdemu zarodkowi zostaje przekazana w procesie zapłodnienia (łączenia się plemnika z komórką jajową) połowa genomu jądrowego ojca, natomiast ze strony matki – połowa jej genomu jądrowego oraz cały genom mitochondrialny.
W komórkach somatycznych (wszystkich komórkach ciała z wyjątkiem komórek rozrodczych) geny jądrowe ulokowane są w zespołach podwójnych struktur zwanych chromosomami; jeden chromosom w każdej parze pochodzi od ojca (z plemnika), a drugi – od matki (z komórki jajowej). Chromosomy mają strukturę łańcuchową, a geny są w nich ułożone liniowo. Każdy gen zajmuje w chromosomie określone miejsce, zwane z łaciny locus. Cały łańcuch chromosomalny nazywa się kwasem dezoksyrybonukleinowym (DNA), a jego pojedyncze ogniwo nazywa się nukleotydem i zbudowane jest z kwasu fosforowego, deoksyrybozy (węglowodanu) oraz z jednej z czterech zasad organicznych (alternatywnie): adeniny, cytozyny, guaniny lub tyminy. Każdy łańcuch chromosomalny składa się z dwóch równoległych nici połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi utworzonymi przez pary zasad organicznych (sąsiadujących przestrzennie ze sobą, ale należących do różnych nici). W łańcuchu tym nie występują żadne rozgałęzienia, wobec czego swoją strukturą przypomina on drabinę, z tym że jest ona skręcona śrubowato, dzięki czemu zajmuje stosunkowo mało miejsca w przestrzeni wewnątrzjądrowej. Kształt taki nazywany jest podwójną helisą.
Z uwagi na budowę chemiczną adenina może łączyć się wiązaniem wodorowym jedynie z tyminą, a cytozyna z guaniną. Trzy kolejno ułożone ogniwa (tryplety) pojedynczej nici łańcucha chromosomalnego tworzą tak zwany kodon, który w dalszych etapach procesu biosyntezy peptydu będzie „odpowiadał” za kodowanie jakiegoś określonego aminokwasu. Różnych kodonów jest w sumie w genomie 43-64, ale 3 z nich są odpowiedzialne jedynie za kodowanie procesu kończenia (terminacji) syntezy łańcuchów peptydowych (kodony te nie są przypisane w procesie biosyntezy białka do żadnego aminokwasu) i nazywają się kodonami bezsensownymi. Skoro aminokwasów wbudowywanych w peptydy jest 20, a aktywnych kodonów jest 61, jest oczywiste, że do jednego aminokwasu jest przypisanych kilka kodonów. Z drugiej strony każdy określony kodon jest przypisany tylko do jednego aminokwasu. Z tych względów kod genetyczny jest jednoznaczny, to znaczy – nienakładający się na siebie, ani niecharakteryzujący się żadnymi znakami przestankowymi.
W świetle powyższego kod genetyczny jest odczytywany z ciągłej sekwencji tripletów nukleotydowych, która determinuje ściśle sekwencję konkretnych aminokwasów w każdym określonym łańcuchu peptydowym.
Mechanizm przekazywania informacji genetycznej jest dość skomplikowany. Chromosomy są ulokowane na stałe w jądrze komórkowym, a synteza łańcuchów peptydowych odbywa się w cytoplazmie komórki, na strukturach subkomórkowych zwanych rybosomami. Z tych względów w procesie przekazywania informacji genetycznej muszą brać udział jeszcze inne związki chemiczne, które są syntetyzowane w jądrze i tam odwzorowują strukturę DNA, a następnie wędrują do cytoplazmy, wiążą się z rybosomami i oczekują na „przybycie” tam określonych aminokwasów. Omawiane związki nazywają się informacyjnymi (messenger)lub matrycowymi kwasami rybonukleinowymi(mRNA), a proces ich syntezy w jądrze nazywa się transkrypcją. Ścisłe odwzorowanie budowy DNA jest możliwe dlatego, że związki te są zbudowane z prawie tych samych jednostek podstawowych, co DNA, z tym tylko, że zamiast deoksyrybozy występuje w nich ryboza, a zamiast tyminy – inna bardzo podobna zasada organiczna – uracyl. W cytoplazmie musi też znajdować się jeszcze inny rodzaj związków chemicznych, które „wyłapują” wybiórczo poszczególne wolne aminokwasy, transportują je do rybosomów i tam – łącząc się z mRNA – zbliżają je do siebie, przez co umożliwiają łączenie się aminokwasów ze sobą (wiązaniami peptydowymi) i tworzenie łańcuchów peptydowych. Ten rodzaj związków nazywa się transportującymi kwasami rybonukleinowymi (tRNA). Synteza łańcuchów peptydowych na rybosomach nazywa się translacją, ponieważ polega na przekładzie języka DNA na język aminokwasów. W procesie translacji bierze udział również szereg enzymów cytozomalnych, które ułatwiają łączenie się aminokwasów z tRNA, a także kilkadziesiąt białek rybosomalnych, dzięki czemu proces ten zachodzi szybko i bezbłędnie.
(c.d.n.)
