Indhold
De fleste hverdagsmænd kender deoxyribonucleinsyre eller DNA, det være sig fra efterfølgende kriminalshows eller udsættelse for grundlæggende genetik. Tilsvarende har den typiske gymnasiestuderende sandsynligvis hørt udtrykket "kromosom" i nogle con, og erkender, at disse også relaterer til, hvordan levende ting gengiver og sender arvelige egenskaber til deres afkom. Men den enhed, der funktionelt slutter sig til DNA og kromosomer, kaldet kromatin, er langt mere uklar.
DNA er et molekyle besiddet af alle levende ting, der er opdelt i gener, de biokemiske koder til fremstilling af specifikke proteinprodukter. Kromosomer er meget lange strimler af DNA bundet til proteiner, der sikrer, at kromosomerne kan ændre deres form dramatisk afhængigt af livscentret i den celle, de sidder i. Kromatin er simpelthen det materiale, hvorfra kromosomer er fremstillet; Sagt på en anden måde er kromosomer intet andet end diskrete chromatinstykker.
En oversigt over DNA
DNA er en af to nukleinsyrer, der findes i naturen, den anden er ribonukleinsyre (RNA). I prokaryoter, hvoraf næsten alle er bakterier, sidder DNA'et i en løs klynge i bakteriecellernes cytoplasma (det semi-flydende, proteinrige indre af celler) snarere end i en kerne, da disse enkle organismer mangler indre membranbundne strukturer. I eukaryoter (dvs. dyr, planter og svampe) ligger DNA'et inde i cellekernen.
DNA er en polymer samlet fra underenheder (monomerer) kaldet nukleotider. Hvert nukleotid inkluderer på sin side en pentose eller fem-carbon, sukker (deoxyribose i DNA, ribose i RNA), en phosphatgruppe og en nitrogenholdig base. Hvert nukleotid kan prale af en af fire forskellige nitrogenholdige baser til rådighed; i DNA er disse adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). I RNA er de første tre til stede, men uracil eller U er substitueret med thymin. Fordi det er baserne, der adskiller de fire DNA-nukleotider fra hinanden, er det deres sekvens, der bestemmer det unikke ved hver enkelt organisme-DNA som helhed; hver eneste milliard af mennesker på Jorden har en genetisk kode, bestemt af DNA, som ingen andre har, medmindre han eller hun har en identisk tvilling.
DNA er i en dobbeltstrenget, spiralformet formation i sin mest kemisk stabile form. De to strenge er bundet ved hvert nucleotid af deres respektive baser. Et par med og kun med T, mens C par med og kun med G. På grund af denne specifikke baseparring er hver DNA-streng i et helt molekyle komplementær til den anden. DNA ligner derfor en stige, der er blevet snoet mange gange ved hver af dens ender i modsatte retninger.
Når DNA laver kopier af sig selv, kaldes denne proces replikation. DNAs vigtigste job er at koden til fremstilling af proteiner til de dele af cellen, den skal gå. Det gør dette ved at stole på en biokemisk kurer, som, som heldet ville have det, DNA også skaber. Enkelt DNA-strenge bruges til at opbygge et molekyle kaldet messenger RNA eller mRNA. Denne proces kaldes transkription, og resultatet er et mRNA-molekyle med en nukleotidbasesekvens, der er komplementær til den DNA-streng, hvorfra der er konstrueret (kaldet skabelonen), bortset fra at U vises i mRNA-strengen i stedet for T. Denne mRNA migrerer derefter mod strukturer i den cytoplasma, der kaldes ribosomer, der bruger mRNA-instruktionerne til at bygge specifikke proteiner.
Kromatin: struktur
I livet findes næsten alt DNA i form af kromatin. Chromatin er DNA bundet til proteiner, der kaldes histoner. Disse histonproteiner, der udgør cirka to tredjedele af chromatinmassen, inkluderer fire underenheder arrangeret i par, hvor parene alle er samlet til dannelse af en otte-underenhedsstruktur kaldet en octamer. Disse histonoktamerer binder til DNA med DNA, der vikler sig omkring oktamererne som en tråd omkring en spole. Hver oktamer har lidt mindre end to fulde DNA-omdrejninger, der er viklet omkring det - omkring 146 basepar i alt. Hele resultatet af disse interaktioner - histonoktamer og DNA'et der omgiver det - kaldes a nukleosom.
Årsagen til, hvad der på et øjeblik ser ud til at være overskydende proteinbagage, er ligetil: Histoner, eller mere specifikt nukleosomer, er det, der tillader, at DNA komprimeres og foldes i den ekstreme grad, der kræves for, at en enkelt komplet kopi af DNA kan passe ind i en million million meter bred. Menneskeligt DNA, hvis det udrettes fuldstændigt, ville måle en forbløffende 6 fod - og husk, det er i hver af billionerne af celler i din krop.
Histonerne fastgjort til DNA for at skabe nukleosomer får chromatin til at se ud som en række perler, der er spændt på streng under et mikroskop. Dette er vildledende, for da chromatin findes i levende celler, er det langt tættere viklet, end opviklingen omkring histonoktamerne kan udgøre. Som det sker, er nukleosomer stablet i lag oven på hinanden, og disse stakke er til gengæld sammenviklet og fordoblet i mange niveauer af strukturel organisering. Groft sagt øger nukleosomerne alene DNA-pakningen med en faktor på ca. seks. Den efterfølgende stabling og opspolning af disse i en fiber, der er ca. 30 nanometer bred (30 en milliarddels meter) øger DNA-pakningen yderligere med en faktor 40. Denne fiber vikles omkring en matrix eller en kerne, der giver yderligere 1.000 gange pakkeeffektivitet. Og fuldt kondenserede kromosomer øger dette med yderligere 10.000 gange.
Selv om histoner er beskrevet ovenfor som kommer i fire forskellige typer, er de faktisk meget dynamiske strukturer. Mens DNA'et i kromatin bevarer den samme nøjagtige struktur gennem hele sin levetid, kan histonerne have forskellige kemiske grupper knyttet til dem, herunder acetylgrupper, methylgrupper, phosphatgrupper og mere. På grund af dette er det sandsynligt, at histoner spiller en betydelig rolle i, hvordan DNA'et i deres midte i sidste ende udtrykkes - det vil sige, hvor mange kopier af givne typer mRNA, der transkriberes af forskellige gener langs DNA-molekylet.
De kemiske grupper, der er knyttet til histoner, ændrer, hvilke frie proteiner i området kan binde til givne nukleosomer. Disse bundne proteiner kan ændre organisationen af nukleosomerne på forskellige måder langs kromatinets længde. Også umodificerede histoner er meget positivt ladede, hvilket har dem som standard at binde tæt sammen med det negativt ladede DNA-molekyle; proteiner, der er bundet til nukleosomer via histoner, kan mindske histonens positive ladning og svække histon-DNA-bindingen, hvilket tillader kromatinet at "slappe af" under disse betingelser. Denne løsnelse af kromatin gør DNA-strengene mere tilgængelige og frie at betjene, hvilket gør processer som replikation og transkription lettere, når det er tid for disse at ske.
kromosomer
Kromosomer er segmenter af kromatin i dets mest aktive, funktionelle form. Mennesker har 23 forskellige kromosomer, herunder toogtyve nummererede kromosomer og et kønskromosom, enten X eller Y. Hver celle i din krop, dog med undtagelse af gameter, har to kopier af hvert kromosom - 23 fra din mor og 23 fra din far. De nummererede kromosomer varierer betydeligt i størrelse, men kromosomer med det samme antal, uanset om de kommer fra din mor eller far, ligner alle de samme under et mikroskop. Dine to kønskromosomer ser dog forskellige ud, hvis du er mand, fordi du har et X og et Y. Hvis du er kvindelig, har du to X kromosomer. Fra dette kan du se, at det mænds genetiske bidrag bestemmer afkomets køn; hvis en mand donerer et X til blandingen, vil afkommet have to X-kromosomer og være kvindelig, mens hvis hanen donerer sin Y, vil afkommet have et af hver kønskromosom og være mandlig.
Når kromosomer replikeres - det vil sige, når der fremstilles komplette kopier af alt DNA og proteiner i kromosomerne - består de derefter af to identiske kromatider, kaldes søsterchromatider. Dette sker separat i hver kopi af dine kromosomer, så efter replikation ville du have i alt fire kromatider, der vedrører hvert nummereret kromosom: to identiske kromatider i dine fedre kopi af, siger, kromosom 17 og to identiske kromatider i din mødres kopi af kromosom 17.
Inden for hvert kromosom forbindes kromatiderne ved en struktur af kondenseret kromatin kaldet centromer. På trods af sit noget vildledende navn vises centromeren ikke nødvendigvis halvvejs langs længden af hver kromatid; faktisk er det i de fleste tilfælde ikke. Denne asymmetri fører til udseendet af kortere "arme", der strækker sig i den ene retning fra centromeren, og længere "arme", der strækker sig i den anden retning. Hver korte arm kaldes p-armen, og den længere arm kaldes q-armen. Efter afslutningen af Human Genome Project i den tidlige del af det 21. århundrede, er hvert specifikt gen i kroppen blevet lokaliseret og kortlagt på hver arm af hvert menneskeligt kromosom.
Celleafdeling: Meiosis og mitose
Når hverdagens celler i kroppen deler sig (gameter, der diskuteres kort, er undtagelsen), gennemgår de en simpel reproduktion af hele cellernes DNA, kaldet mitose. Det er dette, der gør det muligt for celler i de forskellige væv i kroppen at vokse, repareres og udskiftes, når de slides.
Det meste af tiden er kromosomerne i din krop afslappede og diffuse i kernen og omtales ofte simpelthen som kromatin i denne tilstand på grund af den manglende organisationsudseende, i det omfang de kan visualiseres. Når det er tid for cellen at dele sig ved slutningen af G1-fasen i cellecyklussen, replikeres de individuelle kromosomer (S-fase) og begynder at kondensere inde i kernen.
Således starter profase af mitose (M-fasen i den samlede cellecyklus), den første af fire afgrænsede faser af mitose. To strukturer kaldet centrosomer migrere til modsatte sider af cellen. Disse centrosomer danner mikrotubuli, der strækker sig mod kromosomerne og midten af cellen på en udadgående måde, hvilket genererer det, der kaldes mitotisk spindel. I metafase, bevæger sig alle 46 kromosomer til midten af cellen i en linje, med denne linje vinkelret på linjen mellem kromosomerne. Det er vigtigt, at kromosomerne er justeret, så den ene søsterchromatid er på den ene side af den snart kommende deling, og den ene søsterchromatid er helt på den anden. Dette sikrer, at når mikrotelberne fungerer som tilbagetrækere i anafase og træk kromosomerne fra hinanden ved deres centromerer ind telofase, får hver nye celle en identisk kopi af de overordnede celler 46 kromosomer.
Ved meiose begynder processen med kimceller placeret i gonaderne (reproduktive kirtler) med deres kromosomer på linje, som i mitose. I dette tilfælde er de imidlertid meget forskellige på linje med homologe kromosomer (dem med samme antal), der går sammen over skillelinjen. Dette sætter dine mødre kromosom 1 i kontakt med dine fædre kromosom 1, og så videre op ad linjen. Dette giver dem mulighed for at bytte genetisk materiale. De homologe kromosompar stiller sig også tilfældigt op ad skillelinjen, så dine mødre er ikke alle på den ene side og dine fædre på den anden. Denne celle deles derefter som ved mitose, men de resulterende celler er forskellige fra hinanden og fra den overordnede celle. Hele "punktet" med meiose er at sikre genetisk variation i afkom, og dette er mekanismen.
Hver dattercelle deler derefter sig uden at gentage sine kromosomer. Dette resulterer i kønscellereller kønsceller, der kun har 23 individuelle kromosomer. Gametene hos mennesker er sædceller (mandlige) og oocykter (hunkøn). Et par få sædceller og oocytter fortsætter med at smelte sammen med hinanden i befrugtningsprocessen og producerer en zygot med 46 kromosomer. Det skal være klart, at fordi gameter smelter sammen med andre gameter for at fremstille en "normal" celle, skal de kun have halvdelen af antallet af "normale" kromosomer.