Geni su segmenti deoksiribonukleinske kiseline (DNK) koji sadrže kod za specifični protein koji djeluje u jednoj ili više vrsta stanica u tijelu. Kromosomi su strukture unutar stanica koje sadrže gene te osobe.
-
Geni su sadržani u kromosomima koji su u staničnoj jezgri.
-
Kromosom sadrži stotine do tisuće gena.
-
Svaka ljudska stanica sadrži 23 para kromosoma, ukupno 46 kromosoma.
-
Osobina je bilo koja karakteristika određena genom i često je određena s više od jednog gena.
-
Neke osobine su uzrokovane mutiranim genima koji su ili naslijeđeni ili su rezultat nove mutacije.
Proteini su vjerojatno najvažnija vrsta materijala u tijelu. Proteini nisu samo građevni materijal za mišiće, vezivno tkivo, kožu i druge strukture. Oni su također potrebni za stvaranje enzima. Enzimi su složeni proteini koji kontroliraju i provode gotovo sve kemijske procese i reakcije unutar tijela. Tijelo proizvodi tisuće različitih enzima. Dakle, cjelokupna struktura i funkcija tijela upravljana je različitim vrstama i količinama proteina koje tijelo sintetizira. Sintezu proteina kontroliraju geni koji se nalaze na kromosomima.
Genotip (ili genom) je jedinstvena kombinacija gena ili genetskog sastava osobe. Dakle, genotip je kompletan skup uputa o tome kako tijelo te osobe sintetizira proteine i kako bi tijelo trebalo biti izgrađeno i funkcionirati.
Fenotip je stvarna struktura i funkcija tijela osobe. Fenotip se obično donekle razlikuje od genotipa jer se ne mogu provesti sve upute u genotipu (ili izraziti). Da li se i kako se gen izražava određuje ne samo genotip već i okolina (uključujući bolesti i prehranu) te drugi čimbenici od kojih su neki nepoznati.
Kariotip je skup svih kromosoma u stanicama osobe.
Geni
Ljudi imaju oko 20.000 do 23.000 gena.
DNK
Geni se sastoje od deoksiribonukleinske kiseline (DNK). DNK sadrži kod, ili nacrt, koji se koristi za sintezu proteina. Geni variraju u veličini ovisno o veličini proteina koje kodiraju. Svaka molekula DNK je duga, dvostruka, spiralna zavojnica koja podsjeća na spiralno stubište koje sadrži milijune stepenica. Stepenice se sastoje od parova četiriju vrsta molekula koje se nazivaju baze (nukleotidi) - adenin, timin, gvanin i citozin. U svakoj stepenici adenin (A) je uparen s timinom (T) ili je gvanin (G) uparen s citozinom (C). Svaka izuzetno duga molekula DNK namotana je unutar jednog kromosoma.
Struktura DNK
|
DNK (deoksiribonukleinska kiselina) je genetski materijal stanice sadržan u kromosomima u jezgri stanice i mitohondrija.
Osim kod određenih stanica (npr. spermiji, jajne stanice i crvene krvne stanica) jezgra stanice sadrži 23 para kromosoma. Kromosom sadrži mnoge gene. Gen je segment DNK koji sadrži kod za izgradnju proteina.
DNK molekula je duga, dvostruka, spiralna zavojnica koja podsjeća na spiralno stubište. U njemu su dva lanca sastavljena od šećera (deoksiriboze) i fosfatne molekule i povezani su parovima četiriju molekula koje se nazivaju baze. Ti parovi formiraju stepenice tog stubišta. Adenin je uparen s timinom, a gvanin je uparen s citozinom. Svaki par baza drži se zajedno vodikovom vezom. Gen se sastoji od niza baza. Sekvence od tri baze kodiraju aminokiseline (aminokiseline su građevni materijal proteina) ili druge informacije.
|
Sintetiziranje proteina
Proteini se sastoje od dugog lanca aminokiselina povezanih u nizu jedan za drugim. Postoji 20 različitih aminokiselina koje se mogu koristiti u sintezi proteina - neke moraju doći iz prehrane (esencijalne aminokiseline), a neke su napravljene enzimima u tijelu. Kako se lanac aminokiselina spaja, on se savija kako bi stvorio složenu trodimenzionalnu strukturu. To je oblik presavijene strukture koja određuje njegovu funkciju u tijelu. Budući da je preklapanje određeno preciznim slijedom aminokiselina, svaki različiti slijed rezultira različitim proteinima. Neki proteini (kao što je hemoglobin) sadrže više različito preklopljenih lanaca. Upute za sintezu proteina kodirane su unutar DNK.
Šifriranje
Informacije se kodiraju unutar DNK sekvencom u kojoj su raspoređene baze (A, T, G i C). Kod je napisan u trojkama. To jest, baze su raspoređene u skupine po tri. Određene sekvence od tri baze u DNK kodiraju specifične upute, kao što je dodavanje jedne aminokiseline u lanac. Na primjer, GCT (gvanin, citozin, timin) kodira dodavanje aminokiseline alanina dok GTT (gvanin, timin, timin) kodira dodavanje aminokiseline valina. Prema tome, slijed aminokiselina u proteinu određen je redoslijedom tripletnih parova baza u genu za taj protein na molekuli DNK. Proces pretvaranja kodirane genetske informacije u protein uključuje transkripciju i translaciju.
Transkripcija (prepisivanje) i translacija (prevođenje)
Transkripcija je proces u kojem se informacija kodirana u DNK prenosi (transkribira) u ribonukleinsku kiselinu (RNK). RNA je dugi lanac baza kao što je i lanac DNK, osim što uracil (U) zamjenjuje timin (T). Dakle, RNK sadrži tripletno kodiranu informaciju kao i DNK.
Kada transkripcija započne dio dvostruke spirale DNK se otvori i izravna. Jedan od odmotanih lanaca DNK djeluje kao predložak preko kojeg nastaje komplementarni lanac RNK. Komplementarni lanac RNK naziva se glasnička RNK (mRNK). mRNK se odvaja od DNK, napušta jezgru i putuje u staničnu citoplazmu (dio stanice izvan jezgre - vidi: Unutar stanice). Tamo se mRNK veže na ribosom, koji je sićušna struktura u stanici u kojoj se odvija sinteza proteina.
Translacijom, kod mRNK (prepisan iz DNK) govori ribosomu redoslijed i vrstu aminokiselina koje se povezuju. Aminokiseline su dovedene do ribosoma pomoću mnogo manjeg tipa RNK nazvanog prijenosna RNK (tRNK). Svaka molekula tRNK unosi jednu aminokiselinu koja se ugrađuje u rastući lanac proteina, koji se presavija u složenu trodimenzionalnu strukturu pod utjecajem obližnjih molekula koje se nazivaju molekule pratitelji.
Kontrola ekspresije gena
Postoje mnoge vrste stanica u tijelu osobe kao što su srčane, jetrene i mišićne stanice. Ove stanice izgledaju i djeluju drugačije i proizvode različite kemijske tvari. Međutim, svaka stanica je potomak jedne oplođene jajne stanice i kao takva sadrži u osnovi istu DNK. Stanice imaju vrlo različit izgled i funkcije jer su različiti geni izraženi u različitim stanicama (i u različito vrijeme u istoj stanici). Informacije o tome kada bi gen trebao biti izražen također su kodirane u DNK. Ekspresija gena ovisi o tipu tkiva, starosti osobe, prisutnosti specifičnih kemijskih signala i brojnim drugim čimbenicima i mehanizmima. Poznavanje ovih drugih čimbenika i mehanizama koji kontroliraju ekspresiju gena ubrzano rastu, ali mnogi od tih faktora i mehanizama su još uvijek slabo shvaćeni.
Mehanizmi kojima se geni međusobno kontroliraju vrlo su komplicirani. Geni imaju kemijske markere koji ukazuju gdje bi transkripcija trebala započeti i završiti. Različite kemijske tvari (kao što su histoni) u i oko DNK blokiraju ili dozvoljavaju transkripciju. Također, lanac RNK nazvan antisense RNK može se upariti s komplementarnim lancem mRNK i blokirati translaciju.
Replikacija (kopija)
Stanice se reproduciraju podjelom na dvije. Budući da svaka nova stanica zahtijeva kompletan set DNK, DNK se u izvornoj stanici mora reproducirati (replicirati) tijekom stanične diobe. Replikacija se odvija na način sličan transkripciji, osim što se cijela molekula DNK odmata (oba lanca) i dijeli na dva dijela. Nakon cijepanja, baze na svakom lancu vežu se na komplementarne baze (A s T, a G s C) koje plutaju u blizini. Kada je ovaj proces završen, postoje dvije identične dvo-lančane DNK molekule.
Mutacija
Kako bi se spriječile pogreške tijekom replikacije, stanice imaju funkciju "lekture" kako bi se osiguralo da su baze ispravno povezane. Postoje i kemijski mehanizmi za popravak DNK koja nije ispravno kopirana. Međutim, zbog milijardi parova baza uključenih i složenosti procesa sinteze proteina, mogu se dogoditi pogreške. Do takvih grešaka može doći zbog brojnih razloga (uključujući izloženost zračenju, lijekovima ili virusima) ili bez očiglednog razloga. Manje varijacije u DNK vrlo su česte i javljaju se kod većine ljudi. Većina varijacija ne utječe na naknadne kopije gena. Pogreške koje se dupliciraju u sljedećim kopijama nazivaju se mutacijama.
Naslijeđene mutacije su one mutacije koje se mogu prenijeti na potomstvo. Mutacije se mogu naslijediti samo kada zahvaćaju reproduktivne stanice (spermij ili jajašce). Mutacije koje ne utječu na reproduktivne stanice utječu na potomke mutirane stanice (na primjer, nastanak tumora), ali se ne prenose na potomstvo.
Mutacije mogu biti jedinstvene za pojedinca ili obitelj, a većina štetnih mutacija je rijetka. Mutacije koje postaju uobičajene da zahvaćaju više od 1% populacije nazivaju se polimorfizmi (na primjer, ljudske krvne skupine A, B, AB i O). Većina polimorfizama nema utjecaja na fenotip (stvarna struktura i funkcija tijela osobe).
Mutacije mogu uključivati male ili velike segmente DNK. Ovisno o veličini i mjestu, mutacija ne mora imati vidljiv učinak, može promijeniti redoslijed aminokiselina u proteinu ili pak smanjiti količinu proizvedenog proteina. Ako protein ima različit slijed aminokiselina može djelovati drugačije ili uopće ne djelovati. Odsutan ili nefunkcionalan protein je često štetan ili čak smrtonosan. Na primjer, u fenilketonuriji mutacija rezultira nedostatkom ili odsutnošću enzima fenilalanin hidroksilaze. Ovaj nedostatak omogućuje da se aminokiselina fenilalanin (apsorbirana iz prehrane) akumulira u tijelu što u konačnici uzrokuje težak intelektualni poremećaj. U rijetkim slučajevima mutacija uvodi povoljnu promjenu. Na primjer, u slučaju gena srpastih stanica, kada osoba naslijedi dvije kopije abnormalnog gena razvit će bolest srpastih stanica. Međutim, kada osoba naslijedi samo jedan primjerak gena srpastih stanica (nositelj gena), osoba razvija neku zaštitu protiv malarije (infekcija krvi). Iako zaštita od malarije može pomoći nositelju da preživi, bolest srpastih stanica (kod osobe koja ima dvije kopije gena) uzrokuje simptome i komplikacije koje mogu skratiti životni vijek.
Prirodni odabir odnosi se na koncept da mutacije koje smanjuju preživljavanje u određenom okruženju imaju manju vjerojatnost da se prenesu na potomstvo (i tako postanu manje uobičajene u populaciji), dok mutacije koje poboljšavaju preživljavanje postupno postaju sve češće. Stoga korisne mutacije, iako u početku rijetke, postaju uobičajene. Spore promjene koje se javljaju tijekom vremena uzrokovane mutacijama i prirodnom selekcijom u populaciji koja se razmnožava nazivaju se evolucija.
Kromosomi
Kromosom se sastoji od vrlo dugog lanca DNK i sadrži mnogo gena (stotine do tisuće). Geni su na svakom kromosomu raspoređeni u određenom redoslijedu, a svaki gen ima određeno mjesto na kromosomu (nazvano lokus). Osim DNK kromosomi sadrže i druge kemijske komponente koje utječu na funkciju gena.
Uparivanje
Osim određenih stanica (spermija, jajnih stanica ili crvenih krvnih stanica) jezgra svake ljudske stanice sadrži 23 para kromosoma, ukupno 46 kromosoma. Normalno se svaki par sastoji od jednog kromosoma dobivenog od majke i jednog od oca.
Postoje 22 para autosomnih kromosoma i jedan par spolnih kromosoma (gonosoma). Upareni autosomni kromosomi su, u praktične svrhe, identični po veličini, obliku i položaju te broju gena. Budući da svaki član para autosomnih kromosoma sadrži jedan od svakog odgovarajućeg gena, u određenom smislu postoji sigurnosna kopija gena na tim kromosomima.
23. par su spolni kromosomi (X i Y).
Spolni kromosomi
Par spolnih kromosoma određuje hoće li fetus postati muško ili žensko. Muškarci imaju jedan X i jedan Y kromosom. X kromosom muškarac dobiva od svoje majke, a Y od oca. Žene imaju dva X kromosoma, jedan dobivaju od majke i jedan od oca. Na određeni način, spolni kromosomi funkcioniraju drugačije od autosomnih kromosoma.
Manji Y kromosom nosi gene koji određuju muški spol kao i neke druge gene. X kromosom sadrži mnogo više gena od Y kromosoma, a ti geni imaju i druge funkcije osim određivanja spola i nemaju pandana na Y kromosomu. Kod muškaraca, budući da nema drugog X kromosoma, ti dodatni geni na X kromosomu nisu upareni i gotovo svi su izraženi. Geni na X kromosomu nazivaju se spolno povezani ili X-povezani geni.
Normalno, u autosomnim kromosomima, geni na oba para kromosoma mogu biti potpuno izraženi. Međutim, kod žena većina gena na jednom od dva X kromosoma je isključena putem procesa koji se zove X inaktivacija (osim u jajnim stanicama u jajnicima). X inaktivacija se događa rano u životu fetusa. U nekim stanicama očev X kromosom postaje neaktivan, a u drugim stanicama majčin X kromosom postaje neaktivan. Dakle, jedna stanica može imati majčin gen, a druga stanica očev gen. Zbog X inaktivacije, odsustvo jednog X kromosoma obično rezultira relativno malim abnormalnostima (kao što je Turnerov sindrom). Dakle, nedostatak X kromosoma je daleko manje štetan nego nedostatak autosomnih kromosoma (vidi Pregled abnormalnosti spolnih kromosoma).
Ako žena ima poremećaj u kojem ima više od dva X kromosoma, dodatni kromosomi imaju tendenciju biti neaktivni. Prema tome, imati jedan ili više dodatnih X kromosoma uzrokuje mnogo manje razvojnih abnormalnosti nego imati jedan ili više autosomnih kromosoma. Na primjer, žene s tri X kromosoma (trostruki X sindrom) često su fizički i psihički normalne. Muškarci koji imaju više od jednog Y kromosoma () mogu imati fizičke i mentalne abnormalnosti.
Kromosomske abnormalnosti
Postoji više vrsta kromosomskih abnormalnosti. Osoba može imati abnormalan broj kromosoma ili imati abnormalna područja na jednom ili više kromosoma. Mnoge takve abnormalnosti mogu se dijagnosticirati prije rođenja (vidi Ispitivanje abnormalnosti kromosoma i gena).
Nenormalni broj autosomnih kromosoma obično rezultira teškim abnormalnostima. Primjerice, dodatni autosomni kromosom može biti fatalan za fetus ili može dovesti do abnormalnosti kao što je Downov sindrom, što je vidljivo kod osoba koje imaju tri kopije kromosoma 21. Odsustvo autosomnih kromosoma je fatalno za fetus.
Velika područja kromosoma mogu biti abnormalna ili zato što je cijeli dio izostavljen (delecija) ili pogrešno smješten u drugi kromosom (translokacija). Na primjer, kronična mijeloična leukemija ponekad je uzrokovana translokacijom dijela kromosoma 9 na kromosom 22. Ova abnormalnost može se naslijediti ili biti rezultat nove mutacije.
Mitohondrijski kromosomi
Mitohondriji su sićušne strukture unutar stanica koje sintetiziraju molekule koje se koriste za energiju. Za razliku od drugih struktura unutar stanica, svaki mitohondrion sadrži vlastiti kružni kromosom. Ovaj kromosom sadrži DNK (mitohondrijsku DNK) koja kodira neke, ali ne i sve proteine koji čine taj mitohondrion. Mitohondrijska DNK obično dolazi samo od majke jer kada je jajašce oplođeno samo mitohondriji iz jajašca postaju dio embrija koji se razvija. Mitohondriji iz spermija obično ne postaju dio embrija koji se razvija.
Osobine
Osobina je bilo koja karakteristika određena genom. Mnoge osobine su određene funkcijom više od jednog gena. Na primjer, visina osobe je vjerojatno određena mnogim genima, uključujući one koji utječu na rast, apetit, mišićnu masu i razinu aktivnosti. Međutim, neke osobine su određene funkcijom jednog gena.
Varijacije u nekim osobinama kao što su boja očiju ili krvna grupa smatraju se normalnim. Ostale varijacije kao što su albinizam, Marfanov sindrom i Huntingtonova bolest oštećuju strukturu ili funkciju tijela i smatraju se poremećajima. Međutim, nisu sve takve abnormalnosti gena jednako štetne. Primjerice, jedan gen srpastih stanica može pružiti zaštitu od malarije, ali dva gena uzrokuju anemiju srpastih stanica.
Genetski poremećaji
Genetski poremećaj je štetna osobina uzrokovana abnormalnim genom. Abnormalni gen može biti naslijeđen ili može nastati spontano kao rezultat nove mutacije. Abnormalnosti gena su prilično česte. Ljudi nose prosječno 100 do 400 abnormalnih gena. Međutim, veći dio vremena odgovarajući gen na drugom kromosomu u paru je normalan i sprječava štetne učinke. U općoj populaciji šansa da osoba ima dvije kopije istog abnormalnog gena (a time i poremećaj) je vrlo mala. Međutim, kod djece koja su potomci bliskih krvnih srodnika šanse su veće. Šanse su također veće među djecom roditelja koji su se vjenčali unutar izolirane populacije, kao što su Amiši ili Menoniti.