Genetika: DNA, geni, kromosomi, mutacije in sinteza beljakovin

Genetika: osnovni pojmi

Genom = vse informacije organizma zapisane v DNA.

Gen = odsek DNA, ki se prepiše v m-RNA in nato v beljakovino.

Kromosomi = DNA + beljakovina.

Velikost kromosomov = število baznih parov.

Nukleinske kisline

Nukleinske kisline so shramba dednega zapisa, prenos DNA in nadzor beljakovin ter s tem nadzor življenjskih procesov. Gre za makromolekule iz nukleotidov, ki tvorijo polinukleotidno verigo.

Nukleotid sestavljajo: fosfat (PO₄) + sladkor (pentoza) + dušikova baza.

• DNA: adenin, timin, gvanin, citozin
• RNA: adenin, citozin, gvanin, uracil

Nasprotna veriga je antiparalelna in komplementarna. Verigi se povezujeta med nukleotidoma s komplementarnima bazama (A–T, G–C).

Vrste RNA

RNA so ribosomska (rRNA), obveščevalna (mRNA), prenašalna (tRNA) in primarna RNA. Vse nastajajo v jedru in sodelujejo pri sintezi beljakovin.

• mRNA: nastane s transkripcijo iz DNA (1 gen). Z aktivnim transportom gre v citoplazmo na ribosome, kjer sodeluje pri sintezi beljakovin, nato razpade. RNA-polimeraza (encim) prepiše DNA in nastane mRNA.
• rRNA: gradi ribosome, sodeluje pri pritrjevanju mRNA in tRNA na ribosom ter omogoča nastanek več molekul enakih beljakovin. Nastaja v jedru in citoplazmi.
• tRNA: nastaja v jedru, iz jedra gre v citoplazmo. Pri sintezi beljakovin prenaša potrebne aminokisline iz citoplazme na ribosom. Obstaja 20 različnih tRNA, ima 3D obliko.

Kromatin in kromosomi

Kromatin = DNA + beljakovine (histoni).

Kromosom = spiraliziran kromatin.

Podvojevanje DNA

DNA se podvoji v interfazi pred delitvijo, vedno enako. Vodikove vezi se prekinjajo, veriga se razpira, baze postanejo proste. Na baze se vežejo prosti komplementarni nukleotidi iz citoplazme, nastaneta dve komplementarni polinukleotidni verigi. Za delitev je potrebna energija ATP.

Encimi pri podvojevanju

• Helikaza: razvija dvojno vijačnico in cepi vodikove vezi.
• DNA-polimeraza: pripenja ustrezne nukleotide, potrebuje prosto OH skupino na 3' koncu; veriga nastaja v smeri 5'→3'. Vodilna veriga se sintetizira tekoče.
• Primaza: začne sintetizirati zastajajočo verigo, ki nastaja po fragmentih (Okazakijevi fragmenti).
• Ligaza: poveže Okazakijeve fragmente.

Sinteza beljakovin

Triplet baz na DNA je kodogen, triplet baz na mRNA je kodon.

Genski kod:

• Univerzalen: določen trojček kodira isto aminokislino v vseh organizmih.
• Degeneriran: več različnih kodonov kodira isto aminokislino, razen Met (1 kodon) in Trp (1 kodon).

Stop kodon ne kodira aminokisline in zaustavi sintezo beljakovin.

Mutacije

Mutacije so spremembe v DNA. Posledice so: sprememba strukture in števila molekul DNA v celici, sprememba genotipa ali fenotipa ter zaviranje ali pospeševanje metabolnih procesov v celicah.

Mutacije so lahko somatske (v telesnih celicah) ali zarodne (v spolnih celicah, so dedne).

Pomen mutacij: so vir genskih variacij in nastajanja novih vrst (evolucija).

Mutageni dejavniki

Mutageni dejavniki sprožijo mutacije:

• Ionizirajoča sevanja: rentgenski žarki, gama žarki, nevtroni, UV žarki.
• Kemične snovi: iperit, kofein, zdravila, pesticidi.
• Virusi, temperatura, napake pri podvojevanju DNA, crossing over, transpozoni (TE).

Vrste mutacij

• Po vzroku: spontane, inducirane.
• Po posledicah: škodljive, koristne, nevtralne, letalne.
• Po spremenjenem dednem materialu: genske, strukturne, številčne kromosomske.

Genske mutacije

Zamenjava nukleotidov, izpad nukleotida ali vrinitev nukleotida. Primer: anemija srpastih celic, ki nastane zaradi zamenjave nukleotida v genu, ki kodira hemoglobin.

Strukturne kromosomske mutacije (aberacije)

Večje spremembe dednega materiala: inverzija (zamenjava), delecija (odlom), duplikacija (podvojitev), translokacija (premestitev).

Številčne kromosomske mutacije (genomske)

Sprememba števila kromosomov. Vrste:

• Evploidija (poveča ali zmanjša število kromosomskih garnitur): monoploidija (2n→n, izguba celotnega kompleta) in poliploidija (eden ali več dodatnih kompletov, 3n, 4n).
• Anevploidija (izguba ali dodatek kromosoma): monosomija (izguba kromosoma) in trisomija (dodatek kromosoma).

Genska regulacija

Izražanje genov je uravnano. Vse telesne celice nastanejo z mitozo in vsebujejo enake molekule DNA, imajo torej enak genom, enako število kromosomov in enak zapis dednih lastnosti. Avtosomi so telesni kromosomi.

Večcelični organizmi imajo v različnih tkivih različne celice. To je posledica izbirnega izražanja genov: geni se v različnih celicah izražajo različno. Gen se izraža, če se iz njega prepisuje mRNA in nato beljakovina.

Za prepis so nujni: aktivatorji, nadzorni elementi, promotor (RNA-polimeraza), gen (mRNA, beljakovina) in DNA. V vsaki celici je prisoten določen izbor aktivatorjev, zato se v specializirani celici izrazi le majhen delež vseh genov.

Celična diferenciacija je proces nastajanja različnih celičnih tipov na podlagi izbirnega izražanja genov.

Regulacija pri prokariontih

Celice imajo posebne regulacijske mehanizme, ki zagotavljajo nastajanje beljakovin v točno določenih količinah in časih. Nekatere beljakovine nastajajo ves čas, nekatere občasno.

Bakterije so primerne za preučevanje, ker imajo le en krožni kromosom, se hitro odzivajo na spremembe v okolju in imajo natančne mehanizme za izražanje genov. Količina hrane omejuje število osebkov.

Osnovna enota prepisovanja je operon, ki ga sestavljajo promotor, operator in strukturni geni.