Gen, osnovna jedinica nasljeđivanja, je segment DNA koji sadrži sve osvnovne informacije potrebne za sintezu polipeptida (proteina). Sinteza proteina, savijanje, te tercijarna i kvartarna struktura konačno određuju veći dio tjelesne strukture i funkcije.
Struktura
Ljudi imaju oko 20,000 do 23,000 gena. Geni se nalaze u kromosomima i njihovoj staničnoj jezgri i mitohondrijima. U ljudi, somatske (tjelesne) stanice nukleusa imaju 46 kromosoma u 23 para. Svaki par sadrži kromosome od majke i od oca. 22 para kromosoma, autosoma, normalno su homologna (identični u veličini, obliku, poziciji i broju gena). 23 par, spolni kromosom (X i Y), određuje ljudski spol, alii sadrži ostale funkcionalne gene. Žene imaju 2 X kromosoma (koja su homologna) u somatskim stanicama jezgre; muškarci imaju jedan X i jedan Y kromosom (koji su heterologni).
X kromosom nosi gene odgovorne za nasljedne osobine; manji Y kromosom nosi gene koji iniciraju mušku diferencijaciju spola, kao i ostale gene. Zato što X kromosom ima više gena od Y kromosoma, mnogi X kromosomi u muškaraca nisu spareni; kako bi se održala ravnoteža genetičkog materijala između muškaraca i žene, jedan X kromosom je nasumično deaktiviran. Kariotip je cijeli set kromosoma u čovjekovim stanicama.
Spolne stanice (jajna stanica i spermij) podliježu mejozi, koja reducira broj kromosoma na 23 u svakoj stanici. U mejozi, genetičke nasljedne informacije naslijeđene od majke i oca se rekombiniraju kroz križanje (izmjena između homolognih kromosoma). Kada se jaje oplodi spermijem i nastane začeće, normalni broj kromosoma se rekonstruira.
Geni su raspoređeni linearno uzduž DNA kromosoma. Svaki gen ima specifičnu lokaciju (lokus), koje je tipično isto na svakom od 2 homologna kromosoma. Geni koji zauzimaju isti lokus na svakom kromosomu para (jedan naslijeđen od majke i jedan naslijeđen od oca) nazivaju se aleli. Svaki se gen sastoji od određene DNA sekvence; 2 alela mogu imati malo različite ili iste DNK sekvence. Par identičnih alela zove se homozigotnost; par različitih alela zove se heterozigotnost. Neki geni se pojavljuju u višestrukih kopija koje mogu biti jedna pored druge ili na različitim mjestima u istim ili različitim kromosomima.
Struktura DNA.
|
DNA je stanični genetički materijal, koji se nalazi u kromosomima unutar jezgre i mitohondrija.
Somatske(tjelesne) stanične jezgre imaju obično 46 kromosoma u 23 para. Kromosom sadrži mnoge gene. Gen, osnovna nasljedna jedinica, je segment DNA koji sadrži sve informacije potrebne za sintezu polipeptida (proteina).
DNA molekula je dugačka, zamotana, dvostruko zavijena ovojnica koja se sastoji od 2 lanca unutar koje je šećer (deoksiriboza)i molekula fosfata koja povezuje parove nukleotida (baze). Nukleotidi koji se spajaju: adenin (A) s timinom (T) i gvanin (G) s citozinom(C). Svaki par nukleotida se drži s molekulom vodika. DNA kod je napisan u tripletima u 3 od moguća 4 nukleotida. Specifične amino kiseline kodiraju triplete.
|
Funkcija gena
Geni tvore DNA. Duljina gena određuje duljinu proteina za koju gen kodira. DNA je dvostruka zavojnica unutar koje su nukleotidi spareni:
DNA je prepisuje kroz sintezu proteina, u kojem se jedan lanac DNA koristi kao predložak na koji se stvara glasnička RNA (mRNA). RNA ima istu bazu parova kao DNA, jedino uracil(U) zamjenjuje timin (T). Dijelovi mRNA putuju iz jezgre do citoplazme i onda do ribosoma gdje se događa sinteza proteina. Prijenosna RNA (tRNA) vraća svaku aminokiselinu natrag u ribosom gdje se dodaju rastući polipeptidski lanci u slijedu određenom mRNA. Kada je lanac aminokiselina sastavljen, ona se zavija tako da nastane trodimenzionalna struktura pod utjecajem molekula šaperona.
DNA kod je napisan u tripletima koje sadrže 3 od moguća 4 nukleotida. Specifične aminokiselina kodiraju specifične triplete. Zato što postoje 4 nukleotida, broj mogućih tripleta je 43 (64). Zato što postoji 20 aminokiselina, postoje suvišni (nepotrebni) tripleti. Neki tripleti kodiraju iste aminokiseline kao i drugi tripleti. Ostali tripleti kodiraju elemente za start ili stop sintezu proteina i redoslijeda kombiniranja i okupljanja aminokiselina.
Geni sadrže egzone i introne. Egzoni kodiraju aminokiselinu koja ja tvori završetak sinteze proteina. Introni sadrže ostale informacije koje utječu na kontrolu i brzinu produkcije proteina. Egzoni i introni zajedno se prepisuju na mRNA; ali segmenti s introna se kasnije isijeku. Mnogi faktori reguliraju transkripciju, uključujući besmislenu RNA, koja je sintetizirana od DNA koji nije prepisan u mRNA. Pored DNA, kromosomi sadrže histone i ostale proteine koji utječu na ekspresiju gena (koji proteini i koliko mnogo proteina je sintetizirano iz danog gena).
Genotip se odnosi na specifični genski sastav i redoslijed; on determinira koji proteini su kodirani za produkciju. Suprotno tome, genom se odnosi na cijeli set haploidnih kromosoma, uključujući i gene koje sadrži.
Fenotip se odnosi na čitavu fizičku, biokemijsku i psihološku sliku čovjeka, kako čovjek cjelokupno izgleda, odnosno kako se geni eksprimiraju. Fenotip je determiniran tipom i količinom proteina koji su zapravo sintetizirani, kako se geni zapravo eksprimiraju.
Ekspresija se odnosi na proces u kojem se informacije kodirane u genu koriste za kontrolu sastavljanja molekule (obično proteina ili RNA). Ekspresija gena ovisi o više faktora kao npr. o tome da li je osobina recesivna ili dominantna, o penetraciji i ekspresivnosti gena ( vidi: Čimbenici koji utječu na ekspresiju gena), o stupnju diferencijacije tkiva (određeno prema vrsti i dobi tkiva), faktori okoliša, da li je ekspresija spolno ograničena ili podložna kromosomskoj inaktivaciji ili utiskivanju genoma i ostalim neistraženim faktorima.
Epigenetski faktori
Čimbenici koji utječu na ekspresiju gena bez da mijenjaju genomsku sekvenciju nazivaju se epigenetski faktori.
Znanje mnogih biokemijskih mehanizama koji se odnose na ekspresiju gena značajno raste. Jedan od mehanizama je varijabilnost u spajanju introna (također nazvano alternativno isijecanje). Zbog toga što se introni mogu isjecati, egzoni također mogu biti isječeni, egzoni se mogu sastaviti u niz različitih kombinacija, rezultirajući u mnogim različitim mRNA koje su sposobne kodirati slične, ali različite proteine. Broj proteina koji može biti u čovjeka sintetiziran je > 100,000 iako ljudski genom ima samo 20,000 gena.
Ostali mehanizmi koji su uključeni u ekspresiju DNA su metilacija i histonske reakcije poput metilacije i acetilacije. DNA metilacija nastoji isključiti gen. Histoni nalikuju kalemima oko kojih se vrti DNA. Histonske modifikacije poput metilacije može povećati ili smanjiti količinu proteina koji je sintetiziran od određenog gena. Histonska acetilacija je povezana sa smanjenjem ekspresije gena. Lanac DNA koji nije transkribiran u mRNA može biti korišten kao predložak za sintezu RNA koji kontrolira transkripciju suprotnog lanca.
Ostali važni mehanizmi uključuju mikroRNA (miRNA). MiRNA su kratke, nalik ukosnici (ukosnice se odnose na oblik RNA za koju se pretpostavlja da one imaju dok se vežu) RNA i one potiskuju ekspresiju gena nakon transkripcije. One mogu biti uključene u regulaciju čak 60% proteina.
Osobine i obrasci nasljeđivanja
osobina može biti vrlo jednostavna kao primjer boja očiju, ali može biti i vrlo kompleksna kao što je to osjetljivost na dijabetes. Ekspresija za osobinu može uključivati samo jedan gen ili mnogo gena. Neki defekti uzrokovani jednim genom mogu uzrokovati abnormalnosti u mnogo tkiva i taj efekt se naziva pleiotropija. Kao primjer, osteogenesis imperfecta (poremećaj vezivnog tkiva koji je često rezultat abnormalnosti u jednom genu za kolagen)može uzrokovati lomljive kosti, gluhoću, plave sklere, displastične zube, hipermobilne zglobove i abnormalnosti srčanih zalistaka.
Konstrukcija obiteljskog podrijetla
Obiteljsko podrijetlo (obiteljsko stablo) može se koristiti za dijagramiranje nasljednih obrazaca. Također se često koristi u genetičkom savjetovanju. Obiteljsko podrijetlo koristi konvencionalne simbole za predstavljanje članova obitelji i relevantne zdravstvene podatke o njima.(vidi sliku). Neke obitelji s identičnim fenotipovima imaju višestruke obrasce nasljeđivanja.
Simboli za konstrukciju obiteljskod podrijetla.
Ključne točke
-
Fenotip je determiniran s genskom ekspresijom kao i genotipom.
-
Razjašnjavaju se mehanizmi koji reguliraju gensku ekspresiju, a oni uključuju spajanje introna, DNA metilaciju, histonske reakcije i MikroRNA.