Pamatjēdzieni (turpinājums)
Replikācija – DNS divkāršojuma process.
Replikācijas laikā DNS dubulta spirāle atvijas un uz katras nukleotīdu ķēdes notiek jaunas komplementāras ķēdes sintēze.
Katra no divām jaunām DNS molekulām ir identiska pirmatnējai molekulai, katra molekula satur vienu “veco” nukleotīdu ķēdi un vienu ķēdi, kas tiek sintezēta no jauna.
Jaunas DNS molekulas sintēze notiek ar fermentu DNS – polimērazes (angliski: enzyme DNA polymeraze) un DNS-ligazes palīdzību.
Fermenti – bioloģiskie katalizatori, kas paātrina vai uzsāk kādu bioloģisko procesu. Fermenti pēc ķīmiskās uzbūves attiecas uz proteīniem.
Ģenētiskie dati tiek glabāti DNS molekulā un tiek izmantoti proteīnu sintēzes laikā, kad lineāra nukleotīdu sekvence translējas atbilstošajā lineārā aminoskābju sekvencē. Notiek sekojošas pārvēršanas: DNA -> mRNA ->proteīns.
Uz saturu
Noteiktais DNS fragments kopējas komplementārajā RNS ķēdē. Tādu procesu sauc par transkripciju vai arī par kopēšanas procesu.
Transkripciju katalīzē ferments RNS - polimēraze (angliski: enzyme RNA polymerase).
RNS molekula veidošanas laikā izmanto DNS molekulu kā šablonu.
DNS molekulas dubulta spirāle atvijas un RNS molekula veidojas kā komplementāra ķēde vienai no DNS molekulas ķēdēm.
RNS satur slāpekļa bāzi Urasilu (U – Urasil), Timina (T-Timin) vietā un līdz ar to bāzu pāris RNS molekulā ir A – U.
RNS molekula satur nevis visu informāciju no DNS, bet tikai informācijas fragmentu, kas parasti atbilst vienam gēnam.
Promotors (promoter angļu valodā) – speciāla nukleotīdu sekvence DNS molekulā, kas parasti atrodas pirms gēniem un informē RNS – polimērazi par kopēšanas procesa (transkripcijas) sākumu.
Speciālie, tā saucami, transkripciju faktori atpazīt promotora sekvenci un sasaista to ar RNS – polimērazi.
Terminators (terminator angļu valodā) – speciāla nukleotīdu sekvence DNS molekulā, kas atrodas pēc gēniem un informē RNS – polimērazi par kopēšanas procesa beigām.
Atpazīstot terminatora sekvenci RNS – polimēraze beidz kopēšanas procesu.
Transkripcijas process simbolos:
DNS sekvence 3’ GGTATCGATTGG 5’
5’ CCATAGCTAACC 3’
mRNS 3’ GGUAUCGAUUGG 5’
<--transkripcijas virziens
Eikariotu šūnās visa sekvence, kas kodē noteikto gēnu, kopā ar introniem (nekodējoša sekvences daļa) un ekzoniem kopējas RNS molekulā.
Pēc transkripcijas beigšanas, izveidotai RNS molekulai tiek pievienota “dienesta” informācija:
- RNS molekulas galam 3’ pievienojas sekvence, kas sastāv no desmit vai vairāk Adenina nukleotīdiem ( nukleotīds ar slāpekļa bāzi A - Adenin). Šo sekvenci sauc par poli – A galu (poly – A tail). Poli – A gala pievienošana ir nepieciešama, lai pasargātu RNS molekulu no izmaiņām;
- RNS molekulas galam 5’ pievienojas tā saucama 5’ cepure (5’ cap), kas sastāv no ribozas molekulas.
Uz saturu
Saspiešanas process notiek tikai eikariotu organismos. Saspiešanas laikā speciālie fermenti izņem ārā no RNS molekulas intronu sekvences, rezultātā veidojas daudz īsāka RNS molekula.
Tipiskais eikariota ekzons sastāv no 200 bāzu pāriem, savukārt introns satur vidēji 10000 bāzu pāru. Bieži vien intronu izņemšana vai neizņemšana ir atkarīga no audu veida, kurā notiek transkripcija. Piemēram, introns, kas tika izņemts transkripcijas laikā nierēs, var palikt līdzīgajā RNS, kad transkripcijas process notiek smadzeņu audos.
Tādā veidā variantums (alternatīva saspiešana) ir viens no iemesliem, kāpēc organismā ir tik daudz dažādu proteīnu.
Pēc saspiešanas procesa beigām, RNS molekula, ko tagad sauc par mRNS molekulu, pārvietojas citoplazmā.
Uz saturu
Ģenētiskais kods – iedzimtas informācijas šifrēšanas sistēma DNS molekulās.
Ģenētisko kodu atklāja 1960. gadā.
Vienu aminoskābi kodē grupa no trim nukleotīdiem, tādu grupu sauc par kodonu. Iespējamo kodonu skaits ir 4 trešajā pakāpē=64.
Nukleotīdu sekvences pārvēršanas process aminoskābju sekvencē sauc par translāciju.
Lai nokodētu 20 aminoskābes, ir 64 varianti, līdz ar to vienu un to pašu aminoskābi kodē vairāki kodoni.
Bez tām starp tiem 64 kodoniem ir arī stop-kodoni – kodoni, kas signalizē par translācijas procesa beigām.
Translācijas sākums tiek noteikts ar kodonu AUG (ATG), kas tajā paša laikā kodē aminoskābi Metionīnu (Methionine).
Ģenētiskais kods neizmainījās evolūcijas procesā, kods ir vienāds baktērijām, augiem un cilvēkiem.
Tiek noskaidrotas sekojošas likumsakarības, kas attiecas uz ģenētisko kodu:
- Ģenētiskais kods ir kolineārs – starp nukleotīdu sekvenci un kodējamo aminoskābju sekvenci ir lineāra atbilstība;
- Ģenētiskā koda nolasīšana sākas ar noteikto pozīciju;
- Nolasīšana notiek vienā virzienā viena gēna ietvaros;
- Kods nepārklājas;
- Nolasīšanas gaitā nevar būt atstarpes;
- Vienu aminoskābi kodē divi un vairāki kodoni (tas samazina iespēju, ka mutācijas rezultātā parādīsies nopietna ģenētiskā kļūda);
- Koda skaitlis ir trīs – jo kodons sastāv no trim nukleotīdiem;
- Dabā ģenētiskais kods ir universāls (ar dažiem izņēmumiem).
Uz saturu
Lai modelētu translācijas procesu, vispirms jānoskaidro, kurā vietā translācijas process sākas, un kurā vietā apstājas.
Iespējamus variantus sauc par atvērtas lasīšanas zonām, angliski Open Reading Frames (ORF).
Zinot nukleotīdu sekvenci gēnā un ORF-u, var uzzināt, kādu proteīnu dotais gēns sintēze.
Problēma ir noteikt korekto ORF-u.
Katram DNS fragmentam ir 6 iespējami ORF-i, trīs katrā virzienā.
No ORF izvēles ir atkarīgs kādas aminoskābes kodē dotais DNS fragments.
Eikariotu organismos parasti tiek izmantots tikai viens ORF translācijas procesā, un eksperimentāli ir pierādīts, ka no visiem iespējamiem 6 ORF-iem, tiek izvēlēts visgarākais.
Parasti meklējamā ORF sekvence sākas ar kodonu AUG (ATG) un beidzas ar stop-kodonu (UAA (TAA), UAG (TAG), UGA (TGA)).
Piemēram, sekojoša DNS sekvence var būt nolasīta 6 dažādos ORF-os.
Trīs ORF-i virzienā 5’->3’ un trīs virzienā 3’->5’.
ORF 1 sākas ar nukleotīdu "C", ORF 2 ar "A" un ORF 3 ar "T".
5' 3'
CATGCCCAAGCTGAATAGCGTAGAGGGGTTTTCATCATTTGAGGACGATGTATAAG
Virzienā 3’->5’ jāņem sekvenci, kas ir komplementāra dotajai. ORF 4 sākas ar nukleotīdu "C", ORF 5 ar "T" un ORF 6 ar "T".
3' 5'
CTTATACATCGTCCTCAAATGATGAAAACCCCTCTACGCTATTCAGCTTGGGCATG
Aminoskābju sekvencē stop-kodoni tiek apzīmēti ar simbolu "*".
Dotajā piemērā meklējamā sekvence atrodas ORF-ā 2.
ORF 1
H A Q A E * R R G V F I I * G R C I
1 CAT|GCC|CAA|GCT|GAA|TAG|CGT|AGA|GGG|GTT|TTC|ATC|ATT|TGA|GGA|CGA|TGT|ATA|AG 56
neder, jo nav sākuma kodona (ATG)
ORF 2
M P K L N S V E G F S S F E D D V *
2 ATG|CCC|AAG|CTG|AAT|AGC|GTA|GAG|GGG|TTT|TCA|TCA|TTT|GAG|GAC|GAT|GTA|TAA|G 56
der, ir gan sākuma kodons, gan beigas kodons
ORF 3
C P S * I A * R G F H H L R T M Y K
3 TGC|CCA|AGC|TGA|ATA|GCG|TAG|AGG|GGT|TTT|CAT|CAT|TTG|AGG|ACG|ATG|TAT|AAG 56
ir gan sākuma kodons, gan beigas kodons, bet nepareizajā virzienā
ORF 4
L I H R P Q M M K T P L R Y S A W A
-1 CTT|ATA|CAT|CGT|CCT|CAA|ATG|ATG|AAA|ACC|CCT|CTA|CGC|TAT|TCA|GCT|TGG|GCA|TG -56
ir divi sākuma kodoni, bet nav beigas kodona
ORF 5
L Y I V L K * * K P L Y A I Q L G H
-2 TTA|TAC|ATC|GTC|CTC|AAA|TGA|TGA|AAA|CCC|CTC|TAC|GCT|ATT|CAG|CTT|GGG|CAT|G -56
ir divi beigas kodoni, bet nav sākuma kodona
ORF 6
Y T S S S N D E N P S T L F S L G M
-3 TAT|ACA|TCG|TCC|TCA|AAT|GAT|GAA|AAC|CCC|TCT|ACG|CTA|TTC|AGC|TTG|GGC|ATG -56
ir tikai sākuma kodons
Uz saturu
Translācijas laikā notiek ģenētiskas informācijas nolasīšana, kas ir ierakstīta mRNS molekulā.
Translācijas process notiek citoplazmā. Informāciju nolasa speciālas šūnu struktūras – ribosomas.
Ribosomas nolasa ģenētisko informāciju un ar specifisko proteīnu palīdzību veido ģenētiskai informācijai atbilstošo polipeptīdu ķēdi.
Polipeptīdu ķēdes veidošanas process (novienkāršotajā variantā) ir sekojošs:
ribosomas savienojas ar mRNS molekulu un pārvietojas gar to, pievienojot speciālas tRNS molekulas.
tRNS molekula sastāv no noteiktās aminoskābes un antikodona.
tRNS molekulas antikodons ir komplementārs kodonam, kas kodē atbilstošu dotajai tRNS molekulai aminoskābi.
Katram ribosomas stāvoklim atbilst noteiktais mRNS molekulas kodons (ribosoma pārvietojas pa kodoniem) un šo kodonu atpazīt tRNS molekula ar komplementāru antikodonu (tāda tRNS molekula, kuras antikodons ir komplementārs kodonam, uz kuras dotajā brīdī stāv ribosoma).
Pēc kodona atpazīšanas, tRNS molekula atbrīvo aminoskābi, kuru ribosoma savukārt pievieno veidojamai polipeptīdu ķēdei.
Vairākas ribosomas var vienlaicīgi translēt vienu mRNS.
Neiedziļinoties bioloģiskajos procesos proteīnu sintēze var attēlot sekojoši:
Uz saturu
Mutācijas – dabiskas vai mākslīgas stabilas izmaiņas bioloģiskajās struktūrās, kuras atbild par iedzimtas informācijas glabāšanu un nodošanu.
Mutāciju viedi: genomas mutācijas, hromosomu mutācijas, gēnu mutācijas.
Genomas mutācijas – hromosomu skaita izmaiņas organisma šūnās. Piemēram, normālajā cilvēku organismā ir 2 hromosomu komplekti, organismu šūnās ar genoma mutācijām var būt 1, 3, 4 utt. hromsomu komplekti vai arī kāda no hromosomam var būt pazaudēta.
Hromosomu mutācijas – izmaiņas hromosmas fragmentā vai fragmentos:
- liels hromosomas fragments ir pazaudēts – delēcija;
- neliels hromosomas fragments ir pazaudēts – maza delēcija;
- hromosoma ir saplesta divos gabalos – fragmentācija;
- hromosomas fragments ir apgriezts uz 180° un šis hromosomas fragmenta gēni ir izvietoti pretējā virzienā salīdzinot ar normāliem – inversija;
- utt.
Piemēram, slimība “Dauna sindroms” ir hromosomu mutācijas rezultāts.
Gēnu mutācijas – stabilas izmaiņas nukleotīdu sekvencē kļūdainas replikācijas rezultātā.
Kļūdainu replikāciju var izraisīt ultravioleta starojums un citas apkārtējas vides iedarbības.
Gēnu mutāciju veidi:
- Aizvietošana (substitution) – viens nukleotīds ir aizvietots ar citu;
- Ielikšana (insertion) – viens vai vairāki nukleotīdi tiek pievienoti sekvencei (tiek ielikti sekvencē);
- Izņemšana (deletion) – viens vai vairāki nukleotīdi izņemti ārā no sekvences.
Pēc savas iedarbības uz sintezējamiem proteīniem, gēnu mutācijas dalās sekojoši:
- Missense (angļu valodā)– kodons ir izmainīts tā, ka kodē citu aminoskābi;
- Silent (angļu valodā) – kodons ir izmainīts, bet kodē to pašu aminoskābi;
- Nonsense (angļu valodā) – kodons ir izmainīts tā, kā tagad kodē stop-kodonu.
Gēnu mutācijas ir visbiežāk sastopamas dabā.
Var gadīties, ka gēnu mutācijas nemaina sintezējama proteīna funkcionalitāti.
Parasti proteīnu funkcionalitāte sakrīt, ja viņu primārās struktūras ir vienādas vismaz uz 30%.
Tomēr dažas gēnu mutācijas ved pie letāla iznākuma vai pie nopietnām slimībām.
Dabā eksistē arī tādas gēnu mutācijas, kuras uzlabo organisma īpašības. Tādas mutācijas ir ļoti rētas, bet tieši viņas tiek izmantotas dabiskajā un mākslīgajā selekcijā, kā arī nosaka evolūcijas gaitu.
Uz saturu