Część cech potomstwo otrzymuje od rodziców. Dzieje się to w momencie zapłodnienia, gdy łączą się jądra komórkowe plemnika i komórki jajowej — to właśnie w nich zawarta jest informacja o cechach, które odziedziczy nowy organizm. Zapis wszystkich cech dziedzicznych nazywamy informacją genetyczną, a jej nośnikiem jest materiał genetyczny, czyli kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). W tej lekcji poznasz budowę i rolę DNA, strukturę podwójnej helisy, znaczenie terminu „gen", przebieg i sens replikacji, budowę chromosomu oraz liczbę chromosomów w komórkach naszego ciała.
Gdzie znajduje się DNA
DNA mieści się w jądrze komórkowym — czyli w strukturze, która kieruje wszystkimi procesami zachodzącymi w komórce. Sam DNA da się z komórek wyizolować: przybiera wtedy postać niepozornej białej substancji, którą można zobaczyć w probówce gołym okiem.
Gen — porcja informacji zapisana w DNA
Informacja o cechach organizmu jest zapisana w DNA w postaci genów.
- Gen to odcinek DNA, który zawiera informację o budowie białka lub RNA.
- Może to być na przykład informacja o budowie aktyny albo miozyny — białek umożliwiających skurcz mięśni — albo o budowie enzymu trawiennego żołądka.
- Geny stanowią jedynie 2% całości DNA. Pozostałe 98% to odcinki, które nie kodują żadnych cech. Część z nich reguluje odczytywanie informacji zawartej w genach, a są też fragmenty DNA, których funkcje wciąż nie są znane.
Jedna cząsteczka DNA zawiera bardzo wiele różnych genów, a każdy z nich odpowiada za wytworzenie innego białka. To dzięki poszczególnym białkom organizm ma konkretne cechy:
GEN → BIAŁKO → CECHA
Przykład: melaniny to barwniki nadające kolor skórze, włosom i tęczówkom. W genach zapisana jest informacja o budowie enzymów odpowiedzialnych za ich wytworzenie.
Budowa DNA — od nukleotydu do podwójnej helisy
DNA składa się z mniejszych jednostek — nukleotydów. Nukleotydy połączone szeregowo, jeden za drugim, tworzą nić. Jedna cząsteczka DNA składa się z dwóch nici ułożonych równolegle i spiralnie skręconych wokół wspólnej osi. Taka postać cząsteczki nosi nazwę podwójnej helisy.
Pojedynczy nukleotyd DNA tworzą trzy elementy:
| Element nukleotydu | Szczegóły |
|---|---|
| cukier | deoksyryboza |
| reszta kwasu fosforowego | ta sama we wszystkich nukleotydach |
| zasada azotowa | jedna z czterech: adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) lub guanina (G) |
Sekwencja DNA
Nukleotydy w nici DNA są połączone w ściśle określonej kolejności, którą nazywamy sekwencją DNA. To właśnie od sekwencji zależą cechy organizmu. Sekwencję zapisujemy jako ciąg liter oznaczających zasady azotowe, na przykład: T-A-A-C-T-G-C-A-G-G-T.
Komplementarność zasad
Zasady azotowe z leżących naprzeciw siebie nici tworzą zawsze ściśle określone pary. To dopasowanie nazywamy komplementarnością zasad. W cząsteczce DNA:
- adenina łączy się zawsze z tyminą (A–T),
- cytozyna łączy się zawsze z guaniną (C–G).
Konsekwencja jest bardzo praktyczna: sekwencja jednej nici wyznacza sekwencję drugiej. Jeśli jedna nić ma sekwencję TAACTGCAGGT, to nić leżąca naprzeciw musi mieć ATTGACGTCCA — litera po literze, bez żadnej dowolności.
Replikacja DNA
Komórki naszego ciała co jakiś czas się dzielą. Muszą więc wcześniej wytworzyć kopie DNA — w przeciwnym razie komórki potomne miałyby o połowę mniejszą zawartość materiału genetycznego. Proces tworzenia kopii DNA nazywamy replikacją. Przebiega w czterech krokach:
- Podwójna helisa zostaje rozplatana i obie nici DNA się rozdzielają.
- Do każdej nici DNA dołączane są wolne nukleotydy, zgodnie z regułą komplementarności.
- Powstają dwie identyczne cząsteczki DNA. Każda z nich zawiera jedną nić starą (wyjściową) i jedną nową.
- Po replikacji chromosom zawiera dwie cząsteczki DNA. Zostaną one rozdzielone podczas podziału komórki — do komórek potomnych.
Pytanie do przemyślenia: jakie znaczenie w procesie replikacji ma fakt, że cząsteczka DNA jest dwuniciowa? Wskazówka: wróć do zasady komplementarności i zastanów się, skąd komórka „wie", jakie nukleotydy dobudować do rozdzielonych nici.
Dlaczego DNA przyjmuje postać chromosomów
W jednej komórce człowieka znajduje się łącznie ponad dwa metry nici DNA. Żeby zmieściły się w niewielkim jądrze komórkowym, muszą być odpowiednio zwinięte, czyli upakowane. Najbardziej zwartą strukturą jest chromosom.
| Poziom upakowania | Na czym polega |
|---|---|
| cząsteczka DNA | ma postać podwójnej helisy |
| chromatyna | DNA zwija się za pomocą białek w grube włókno; DNA w połączeniu z białkami nosi nazwę chromatyny |
| chromosom | najbardziej upakowana postać chromatyny; przed replikacją zawiera jedną cząsteczkę DNA |
W jądrze komórkowym DNA występuje zazwyczaj w formie nici. Postać chromosomu przyjmuje jedynie wtedy, gdy komórka się dzieli.
Budowa chromosomu
Chromosom w dzielącej się komórce składa się z połączonych ze sobą podłużnych połówek — chromatyd. Każda chromatyda zawiera jedną, identyczną cząsteczkę DNA. Miejsce połączenia chromatyd nazywamy centromerem, a odchodzące od niego części to ramiona chromosomu.
Ile chromosomów mają nasze komórki
Każdy gatunek ma określoną liczbę chromosomów w komórce. U człowieka jest ich 46. Kompletny zestaw chromosomów, charakterystyczny dla gatunku, nazywamy kariotypem. Dla porównania: kariotyp psa zawiera 78 chromosomów — liczba chromosomów nie mówi więc nic o „zaawansowaniu" organizmu.
RNA — drugi kwas nukleinowy komórki
Oprócz DNA w komórkach występuje również kwas rybonukleinowy (RNA). Bierze on udział w wytwarzaniu białek. Podobnie jak DNA składa się z nukleotydów, ale różnice są trzy:
| Cecha | DNA | RNA |
|---|---|---|
| cukier w nukleotydzie | deoksyryboza | ryboza |
| zasady azotowe | adenina, tymina, cytozyna, guanina | adenina, uracyl, cytozyna, guanina |
| liczba nici | dwuniciowy (podwójna helisa) | przeważnie jednoniciowy |
W komórce występują różne rodzaje RNA:
- mRNA — przenosi informację o budowie białek z jądra do cytoplazmy,
- tRNA — dostarcza aminokwasy do miejsca syntezy białek,
- rRNA — buduje rybosomy, czyli struktury odpowiadające za łączenie aminokwasów w łańcuchy białkowe.
Informacje dotyczące budowy różnych rodzajów RNA także znajdują się w genach — dlatego definicja genu mówi o białku lub RNA.
Czy DNA jest wyłącznie w jądrze?
Wyżej napisaliśmy skrótowo, że DNA mieści się w jądrze komórkowym — i tak jest w zdecydowanej większości. Konkursy pytają jednak czasem o wszystkie miejsca, a poza jądrem własne, znacznie mniejsze cząsteczki DNA mają jeszcze dwa organella (organellum to wyspecjalizowany element wnętrza komórki).
| Gdzie | W jakich komórkach |
|---|---|
| Jądro komórkowe | w niemal wszystkich komórkach organizmów jądrowych — tu mieści się prawie cała informacja genetyczna |
| Mitochondrium | w komórkach zwierząt, roślin, grzybów i protistów |
| Chloroplast | w tych komórkach roślin i glonów, które chloroplasty zawierają — nie ma ich np. w komórkach korzenia |
Dlatego DNA dzielimy czasem na jądrowe i pozajądrowe (mitochondrialne i chloroplastowe). Bakterie nie mają jądra w ogóle — ich koliste DNA leży swobodnie w cytoplazmie, w obszarze zwanym nukleoidem, a często mają dodatkowo małe koliste cząsteczki DNA zwane plazmidami.
- Nośnikiem informacji genetycznej jest kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), znajdujący się w jądrze komórkowym.
- Gen to odcinek DNA zawierający informację o budowie białka lub RNA; geny to zaledwie 2% DNA. Ciąg zależności: GEN → BIAŁKO → CECHA.
- Cząsteczka DNA ma postać podwójnej helisy — dwóch nici spiralnie skręconych wokół wspólnej osi. Każda nić zbudowana jest z nukleotydów.
- W skład nukleotydu DNA wchodzą: cukier (deoksyryboza), reszta kwasu fosforowego i zasada azotowa (adenina, tymina, guanina lub cytozyna).
- Zgodnie z zasadą komplementarności adenina z jednej nici łączy się zawsze z tyminą z drugiej nici, a guanina — z cytozyną.
- Proces tworzenia kopii DNA to replikacja. W jej wyniku chromosom jest zbudowany z dwóch chromatyd, z których każda zawiera jedną, identyczną cząsteczkę DNA. Miejsce połączenia chromatyd to centromer.
- DNA + białka = chromatyna; jej najbardziej upakowana postać to chromosom, który pojawia się, gdy komórka się dzieli.
- Kariotyp to charakterystyczny dla gatunku kompletny zestaw chromosomów. Kariotyp człowieka zawiera 46 chromosomów.
