Pamatjēdzieni

Šūnu struktūra
Proteīni, nukleīnskābes
Hromosomas, gēni, genoms

Šūnu struktūra

Cilvēka organisms tāpat kā ikvienai dzīvai būtnei sastāv no šūnām.
Šūnas dzīvā organismā veido bioloģisku sistēmu, kas nodrošina organisma pamatfunkcijas – augšanu, attīstību un vairošanos.

Kas ir šūna?
Šūna ir dzīvā organisma uzbūves un funkcionēšanas pamatvienība.
Šūna ir pati mazākā dzīvā vienība. Visu vienšūnas un daudzšūnu organismu šūnas ir līdzīgas pēc savas uzbūves, ķīmiskā sastāva, galvenajām dzīvības norisēm un vielmaiņas. Šūnu vairošanās notiek dalīšanā ceļā.
Sarežģītos daudzšūnu organismos, piemēram, dzīvnieku un cilvēku organismā, šūnas specializējas pēc veicamajām funkcijām un veido audus. Atšķirīgie audi veido dažādus orgānus.

Šūnas ķīmiskais sastāvs.
Ikviena šūnā ir atrodami vairāki tūkstoši dažādu ķīmisko vielu. Tās ir nepieciešamas šūnas vielmaiņas procesos un daudzveidīgajās ķīmiskajās reakcijās.

Galvenās šūnas sastāvdaļas ir:

nukleīnskābes (DNS un RNS) – vissvarīgākā šūnas sastāvdaļa;
proteīni (olbaltumvielas), kas aizņem lielāko šūnas sausnes daļu;
makroenerģētiskie savienojumi – ATF un ATP;
ogļhidrāti, minerālvielas, lipīdi un ūdens.

Nukleīnskābju nosaukums cēlies no vārda “nucleus”, kas nozīmē kodols. Tās ir atrodamas šūnas kodolā. Nukleīnskābēm piemīt ļoti liela bioloģiskā nozīme.
Tās mēdz dēvēt par “iedzimtības materiālu”, jo nukleīnskābes nodrošina ģenētiskās informācijas tālāku nodošanu.
Izšķir divu veidu nukleīnskābes – dezoksiribonukleīnskābes (DNS) un ribonukleīnskābes (RNS).

Šūnā ir atrodama arī adenofīntrifosforskābe jeb ATF. ATF ir šūnas enerģijas avots. Ķīmisko procesu rezultātā, sašķeļoties šim savienojumam, atbrīvojas enerģija, ko šūna var izmantot citu vielmaiņas procesu nodrošināšanai.

Šūnas uzbūve

Ir zināms, ka ikvienu organisma šūnu veido divas svarīgākās pamata sastāvdaļas – kodols un citoplazma.

Šūnapvalks vai šūnas membrāna (lipīdu membrāna) sastāv no olbaltumvielām un lipīdiem, ar īpašu fermentu palīdzību tā regulē barības vielu iekļūšanu šūnā un vielmaiņas produktu izvadīšanu no šūnas.

Citoplazma ir šūnas pusšķidra iekšējā vide. Citoplazmas diferencētas daļiņas šūnā veic noteiktas funkcijas.
Pie tiem pieder:

mitohondriji, kuri sintezē ATF – šūnas enerģijas avotu,
ribosomas, kuru funkcija ir proteīnu sintēze,
utt..

Kodols ir šūnas darbības regulācijas centrs. Tajā ir sakopota galvenā ģenētiskā informācija (DNS) jeb dati par iedzimtību. Kodols kontrolē ģenētisko programmu un šūnas darbību.

Kodols sastāv no vairākām struktūrām, un katrai no tām ir savs uzdevums un funkcija:

kodola apvalks atdala kodolu no citoplazmas. Tā uzbūve ir līdzīga citoplazmatiskajai membrānai. Caur kodola apvalku notiek nepārtraukti vielmaiņas procesi;
kodoliņa galvenā funkcija ir ribosomu sintēze. Šūnā var būt viens vai vairāki kodoliņi;
kodola sula jeb kariolimfa ir kodola iekšējā puscietā vide. Tā satur daudz fermentu, kas nepieciešami ribosomu nukleīnskābju sintēzei.

Tomēr ir organismi, kuru šūnas nesatur kodolus – prokarioti (baktērijas un t.t.).
Organismi, kurus šūnas satur kodolus – eikarioti.

šūnas uzbūve

Šūnas vielmaiņa.

Kā redzams šūna ir nepārtraukti mainīga struktūra. Tomēr tajā notiekošajām ķīmiskajām reakcijām ir stingri noteikta kārtība.

Galvenie šūnas vielmaiņas procesi ir:

sintēzes reakcijas, kuru laikā rodas jaunas vielas – olbaltumi, lipīdi, ogļhidrāti, nukleīnskābes, ATF, u.c.
noārdīšanās reakcijas, kuras ir pretējas sintēzes procesiem. To laikā sarežģītas vielas tiek sadalītas vienkāršās.
enerģētiskie vielmaiņas procesi, kuru laikā atbrīvojas enerģija, kas nepieciešama šūnas izdzīvošanai un normālai funkcionēšanai.

Sīkāka informācija:
http://www.liis.lv/anatom/Antomija/2/2teksts.htm
http://rex.liis.lv/liis/prog/macmat.nsf/10d216d8b8f0cb4dc22565820056266e/8471d058026d6095c2256c47004173d8/$FILE/000--CELL.pdf

Uz saturu

Proteīni, nukleīnskābes

Proteīni (olbaltumvielas) – organiskās vielas, kas tiek veidotas no aminoskābēm un kas spēlē fundamentālo lomu organismu struktūrā un organismu dzīvības procesu norisē.

No proteīniem sastāv organismu orgāni, asinis, muskuļi un tieši proteīni realizē vielmaiņu un enerģētiskus pārvēršanos, kas ir saistītas ar bioloģiskām funkcijām.

Proteīnu molekulu struktūras ir bezgalīgi daudzveidīgi. Tas dot ļoti plašas funkcionālas iespējas. Var teikt kā proteīni ir dzīvības pamats uz zemes.

Visu organismu proteīni sastāv no 20 aminoskābēm ar dažādām fiziskām un ķīmiskām īpašībām.

Aminoskābes - organiskās skābes, kas satur vienu vai vairākas aminogrupu (NH2 – grupas).
Aminoskābes ir proteīnu celtniecības materiāli. Šodien zinātniekiem ir zināmas apmērām 200 dažādu aminoskābju, tomēr dzīvā organismā ir tieši 20 aminoskābju.

Ir trīs simbolu un viena simbola kodi, lai apzīmētu katru no 20 aminoskābēm.

Aminoskābe	Trīssimbolu kods	Viena simbola kods
Alanine	Ala	A
Arginine	Arg	R
Asparagine	Asn	N
Aspartic acid	Asp	D
Cysteine	Cys	C
Glutamine	Gln	Q
Glutamic acid	Glu	E
Glycine	Gly	G
Histidine	His	H
Isoleucine	Ile	I
Leucine	Leu	L
Lysine	Lys	K
Methionine	Met	M
Phenylalanine	Phe	F
Proline	Pro	P
Serine	Ser	S
Threonine	Thr	T
Tryptophan	Trp	W
Tyrosine	Tyr	Y
Valine	Val	V

Aminoskābes proteīna molekulā savieno peptīdsaites. Līdz ar to proteīna aminoskābju sekvenci sauc par polipeptīdu ķēdi vai vienkārši par polipeptīdu.

Katrs atsevišķais proteīns tiek raksturots ar noteikto aminoskābju asortimentu un skaitlisko sastāvu. 20 aminoskābes spēj veidot 20 n-tajā pakāpē kombinācijas polipeptīdā, kur n = polipeptīda garums. Proteīnu veido vidēji 100 – 500 aminoskābes.

Katram proteīnam aminoskābju sekvence vai polipeptīdu ķēde, kuru sauc par proteīnu primāro struktūru, ir stingri nodefinēta.
Visi proteīni, kas eksistē dabā, atšķiras pēc primāras struktūras, potenciālais iespējamais proteīnu skaits praktiski nav ierobežots.

Polipeptīdu ķēde sastāv netikai no aminoskābēm, bet arī no aminoskābju savienojošām vielām. Tomēr polipeptīdu ķēde vai proteīna primāro struktūru raksturo tieši aminoskābju sekvence.

Proteīna “dioksikināzes” primāra struktūra:

MHFPGHSSKK	EESAQAALTK	LNSWFPTTKN	PVIISAPMYL	IANGTLAAEV	SKAGGIGFVA	GGSDFRPGSS	HLTALSTELA	SARSRLGLTD	RPLTPLPGIG
VGLILTHTIS	VPYVTDTVLP	ILIEHSPQAV	WLFANDPDFE	ASSEPGAKGT	AKQIIEALHA	SGFVVFFQVG	TVKDARKAAA	DGADVIVAQG	IDAGGHQLAT
GSGIVSLVPE	VRDMLDREFK	EREVVVVAAG	GVADGRGVVG	ALGLGAEGVV	LGTRFTVAVE	ASTPEFRRKV	ILETNDGGLN	TVKSHFHDQI	NCNTIWHNVY
DGRAVRNASY	DDHAAGVPFE	ENHKKFKEAA	SSGDNSRAVT	WSGTAVGLIK	DQRPAGDIVR	ELREEAKERI	KKIQAFAA

Izņemot primāro struktūru, proteīniem ir vēl trīs struktūras līmeņi.
Otrais un trešais struktūras līmeņi attiecas uz polipeptīdu ķēdes telpisko konfigurāciju, kas tiek noteikta ar primāro struktūru un ar vides apstākļiem.
Daži proteīni var apvienoties kopā un veidot daudz sarežģītākas ceturtā līmeņa struktūras.

Proteinu trisdimensionala struktura

Sīkāka informācija:
http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/bio/amino-acids_en.html
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/AminoAcids.html

Nukleīnskābes

DNS – dezoksiribonukleīnskābe, angliski DNA (deoxyribonucleic acid) - ģenētisko datu glabātuve jeb repozitorijs.

RNS – ribonukleīnskābes, angliski RNA (ribonucleic acids) – ģenētisko datu pārnesēji jeb translatori.

Nukleīnskābes veidojas kā nukleotīdu ķēdes.

Nukleotīdi sastāv no:

slāpekļa bāzes (Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T) (vai Uracil (U) RNS gadījumā )
ogļhidrāta (dezoksiribozas DNS gadījumā un ribozas RNS gadījumā)
fosfāta grupas.

Nukleotīdu ķēde veidojās ar fosfodiestersaites palīdzību: fosfāta grupa savienojas ar 5’ viena ogļhidrāta hidroksilas grupas un 3’ nākama ogļhidrāta hidroksilas grupas (OH).
Līdz ar to kā nukleotīdu ķēdei ir virziens jeb polaritāte, 5’ ->3’ vai 3’ -> 5’.
Ķēdes galu kur palika fosfāta grupa sauc par 5’ galu, savukārt otro ķēdes galu ar hidroksilas grupu sauc par 3’ galu.
Fosfāta grupu un ogļhidrātu sauc par ķēdes pamatu (backbone).

DNS struktura

Zīmējumā nukleotīdu ķēdēm ir polaritāte 5’ -> 3’ un to definē slāpekļa bāzu sekvence AGCT (DNS gadījumā) un AGCU (RNS gadījumā).

Tomēr tas nav viss par nukleīnskābēm, jo DNS struktūra ir dubulta spirāle, kuru veido divas komplementāras nukleotīdu ķēdes.
Nukleotīdu ķēdes savienojas tā saucama antiparalēla veidā ar ūdeņraža saites palīdzību. Ūdeņraža saites veidojas starp noteiktām slāpekļa bāzēm: [Adenine-Thymine (vai Uracil)] [Guanine-Cytosine].
Līdz ar to bāze vienā ķēdē definē bāzi otrajā ķēdē – tās divas bāzes veido bāzu pāri. Pie tam ķēdes virzieni ir pretēji: pirmajai ķēdei 5’ -> 3’, otrajai 3’ -> 5’.

Nukleinskabes struktura

Zīmējumā DNS spirāle veido nukleotīdu ķēde

5’ -> 3’ AGTACG un komplementāra ķēde
3’ -> 5’ TCATGC.

Dezoksiribonukleīnskābes (DNS) apzīmē kā nukleotīdu bāzu sekvenci.

Piemēram:
AAAAGAAAAGGTTAGAAAGATGAGAGATGATAAAGGGTCCATTTGAGGTTAGGTAATATGGTTTGGTATCCCTGTAGTTAAAAGTTTTTGTCTTATTTTAGA ATACTGTGACTATTTCTTTAGTATTAATTTTTCCTTCTGTTTTCCTCATCTAGGGAACCCCAAGAGCATCCAATAGAAGCTGTGCAATTATGTAAAATTTTC AACTGTCTTCCTCAAAATAAAGAAGTATGGTAATCTTTACCTGTATACAGTGCAGAGCCTTCTCAGAAGCACAGAATATTTTTATATTTCCTTTATGTGAAT TTTTAAGCTGCAAATCTGATGGCCTTAATTTCCTTTTTGACACTGAAAGTTTTGTAAAAGAAATCATGTCCATACACTTTGTTGCAAGATGTGAATTATTGA CACTGAACTTAATAACTGTGTACTGTTCGGAAGGGGTTCCTCAAATTTTTTGACTTTTTTTGTATGTGTGTTTTTTCTTTTTTTTTAAGTTCTTATGAGGAG GGAGGGTAAATAAACCACTGTGCGTCTTGGTGTAATTTGAAGATTGCCCCATCTAGACTAGCAATCTCTTCATTATTCTCTGCTATATATAAAACGGTGCTG TGAGGGAGGGGAAAAGCATTTTTCAATATATTGAACTTTTGTACTGAATTTTTTTGTAATAAGCAATCAAGGTTATAATTTTTTTTAAAATAGAAATTTTGT AAGAAGGCAATATTAACCTAATCACCATGTAAGCACTCTGGATGATGGATTCCACAAAACTTGGTTTTATGGTTACTTCTTCTCTTAGATTCTTAATTCATG AGGAGGGTGGGGGAGGGAGGTGGAGGGAGGGAAGGGTTTCTCTATTAAAATGCATTCGTTGTGTTTTTTAAGATAGTGTAACTTGCTAAATTTCTTATGTGA CATTAACAAATAAAAAAGCTCTTTTAATATTAGATAA

Bāze	Apzīmējums
Adenine	A
Guanine	G
Cytosine	C
Thymine (DNS) vai Uracil (RNS)	T(U)

Ribonukleīnskābes (RNS) veidojas no vienas nukleotīdu ķēdes.
RNS molekula var sastāvēt no cilpām, kas veidojas no vienas ķēdes bāzu pāriem.

Ir trīs RNS veidi:

mRNS – RNS kurjers, angliski messenger RNA, darbojas kā šablons proteīnu sintēzes laikā, kurā ģenētiskie dati kopējas no DNS;
tRNS – RNS transports, angliski transport RNA, palīgviela proteīnu sintēzes laikā;
rRNS – ribosomas RNS, angliski ribosomal RNA, palīgviela proteīnu sintēzes laikā.

Sīkāka informācija:
http://www.geneticengineering.org/chemis/Chemis-NucleicAcid/DNA.htm
http://www.blc.arizona.edu/Molecular_Graphics/DNA_Structure/DNA_Tutorial.HTML

Uz saturu

Hromosomas, gēni, genoms

Prokariotu šūnās (šūnas bez kodoliem), divi DNS molekulās gali savienojas un veido apļveida DNS. Apļveida DNS molekula veido sarežģītu spirāli un bieži kopā ar dažiem proteīniem un RNS molekulām tiek iepakota kompaktā struktūrā, kuru sauc par nukleoīdu (nucleoid).

Eikariotu šūnās DNS tiek iepakotas hromatīnos kodola ietvaros. Hromatīna struktūru veido DNS un proteīnu (histonu) savienojumi. No hromatīniem savukārt veidojas hromosomas.

Diploīdu organismi, tādi kā zīdītāji, satur divas hromosomu kopas. Cilvēka šūna satur 46 hromosomu (23 pārus), viena kopa no katra vecāka. No tam 46 hromosomām ir 24 atšķirīgo hromosomu: 22 tā saucamas autosomas un 2 dzimuma hromosomas, kas definē dzimumu (XX vai XY).

Genoms – tas ir visa ģenētiska informācija, kas glabājas hromosomās.
Gandrīz katra eikariota šūna satur pilnu genomu. Cilvēka genoms sastāv no 3 ×10 devitajā pakāpē bāzu pāriem (bp). Cilvēka 24 atšķirīgas hromosomas sastāv no 50 ×10 sestajā pakāpē - 250 ×10 sestajā pakāpē bp. Dažādu organismu genomu izmēri atšķiras.

Gēns – tas ir DNS daļa, kas kontrolē vienu iedzimto īpašību un parasti atbilst vienai mRNS, kura darbojas kā šablons proteīnu sintēzes laikā.
Gan eikariotiem, gan prokariotiem gēni satur ģenētisko kodu, lai sintezētu proteīnus. Tomēr eikariotu gēnos ģenētiskais kods ir diskrēts, kodējošie reģioni tiek pārtraukti ar nekodējošiem reģioniem. DNS reģions ar kodējošo nukleotīdu sekvenci saucas par ekzonu (exon), DNS reģions, kas satur nekodējošo nukleotīdu sekvenci sauc par intronu (intron).

Cilvēka gēnos apmērām 2-3% ekzonu un 97-98% intronu. Intornu loma līdz galam vēl nav noskaidrota, tomēr eksperimenti, kura laikā introni tika izņemti no gēniem, veda pie letāla iznākuma. Viena no domājam intronu funkcijām – kļūdu kontrole.

Uz saturu