Molekularna biologija

Predmet i značaj izučavanja molekularne biologije• Molekularna biologija (ili biohemijska genetika) objašnjava osnovne procese života, njihovu prirodu i povezanost.

• U živim sistemima, prirodu i specifičnost svakog hemijskog procesa određuju geni, pa je zadatak molekularne biologije da tumačenjem regulacije i ekspresije gena objasni procese metabolizma

• Molekularna biologija treba da utvrdi početne procese razvića osobina na molekularnom, biohemijskom nivou, tj. iz čega su geni sastavljeni, kako se reprodukuju i koji su primarni produkti funkcije gena.

• Danas znamo da su nosioci i realizatori razvića osobina nukleinske kiseline i proteini

• Nasljednu materiju čini dezoksiribonukleinska kiselina (DNK)

• Ovaj molekul se može nazvati naslijednom supstancom zato što ima:

- sposobnost samoreprodukcije

- sposobnost da nosi genetičku informaciju

- sposobnost promjenjivosti strukture i funkcije

GRAĐA DNK

• Dezoksiribonukleinska kiselina (DNK) je molekul koji nosi naslijednu materiju. Na njemu se nalaze uputstva za sintezu proteina, a njegovi dijelovi (geni) sadrže informacije za sintezu specifičnih proteina, tj. njihovih polipeptidnih lanca

• Molekul DNK se sastoji iz dva komplementarna lanca nukleotida, koji se spiralno uvijaju i povezani su vodoničnim vezama.

• Svaki od ova dva spiralna lanca sastoji se iz niza u kome se smjenjuju ukupno 4 nukleotida (adenin, timin, guanin i citozin)

• Svaki nukleotid sastoji se iz jednog pentoznog šećera (dezoksiriboze), fosforne grupe i jedne od spomenute četiri azotne baze.

• Spoljnu stranu lanca čini takozvani skeletni dio, koji se sastoji iz dezoksiriboze i fosforne grupe povezanih tako da čine spiralnu formaciju.

Razlike među pojedinim molekulima DNA zasnivaju se na razlikama u broju i redoslijedu nukleotida, kojih ima ukupno četiri tipa. Kvantitativna zastupljenost parova G+C u odnosu na A+T karakteristična je za svaku grupu organizama, tako da su A+T veze nešto češće kod višećelijskih organizama.

GENI• Pojedini segmenti molekula DNK, geni, imaju svoje

određeno mjesto u ovom molekulu. Veličina gena u prosjeku iznosi između 400-1800 nukleotidnih parova, čiji raspored uslovljava njegovu strukturu i specifičnu funkciju. Genetička informacija, koju sadrži svaki gen, sastoji se od jedinstvenog redoslijeda nukleotida, od prvog do posljednjeg u odgovarajućem dijelu molekula.

• Oni kontrolišu stvaranje specifičnog tipa proteina. Kod mnogih virusa, geni se sastoje iz segmenata drugog tipa nukleinske kiseline - ribonukleinska kiselina (RNK).

• Njen molekul je jednolančan, sadrži šećer ribozu u nukleotidima, a umjesto timina, sadrži uracil.

• Molekuli RNK su primarni proizvodi gena, tj. DNK i predstavljaju takođe informacione molekule

REPLIKACIJA DNK• Replikacija DNK je proces u kome se udvaja ili

reprodukuje molekul DNK• Eksperimentom koji je izvršen na bakteriji

Escherichia coli i na medijumu koji je sadržavao teški azot N15, utvrđeno je da se ovaj azot ugradio u njene ćelije i DNK

• Zatim su ove bakterije prebačen na medijum koji je sadržavao lahki azot N14 i u njemu je obavljena samo jedna dioba

• Na osnovu analize sastava DNK, utvrđeno je da ona sadrži N15 i N14 u jednakim količinama    

• Iz ovog eksperimenta zaključilo se da udvajanjem molekula DNK prethodi rasplitanje dvojno-spiralnog lanca. Pri tome dolazi do raskidanja vodoničnih veza. Za replikaciju DNK, potrebno je prisustvo čitavog niza enzima, a najvažniji su: nukleaza, ligaza i polimeraza.

• Nukleaza zasijeca jednu od niti DNK na određenom mjestu, poslije čega počinje njeno rasplitanje

• Za obje otvorene niti, počinju da se vezuju pojedinačni nukleotidi. Ovi polinukleotidi međusobno se povezuju uz pomoć enzima DNK-polimeraze 3 i ovaj enzim vrši svoju funkciju u pravcu (5'-3').

• DNK polimeraza 3 ne može da se veže za početni dio ogoljene matrice DNK, već se za nju prethodno vezuje kratak segment RNK

• Pri vršenju svoje funkcije DNK polimeraza 3 nailazi na pogrešno vezane nukleotide, poslije čega se vraća da razori te nukleotide u pravcu (3'-5'), i ponovo vrši polimerizovanje u pravcu (5'-3'). Zbog toga se javlja izuzetna tačnost u građi lanca DNK.

• Lanac RNK odstranjuje se pod dejstvom DNK-Poly 1, koji ima razaračku sposobnost u pravcu (5'-3') i takođe uklanja greške.

• Relativno rijetke "greške" pri replikaciji molekula DNK su izvor genetičke raznovrsnosti organizama.

Genetička šifra,transkripcija, translacija• Molekul DNK sadrži genetičku šifru.Ona se

prenosi kroz dvije složene etape. • U prvoj se informacije preslikavaju na redoslijed

nukleotida u tzv. informacionoj RNK, ali i na transportnu i ribozomalnu RNK.

• Taj proces se naziva transkripcija (transcriptio-prepisivanje). Pri tome se naspram niza nukleotida jednog lanca DNK (npr.AATTGTC) formira odgovarajući niz (UUAACAG).

• Translacija

je proces formiranja polipeptidnih lanaca u proteinu na osnovu strukture molekula (iRNK).

• Redoslijed aminokiselina zavisi od redoslijeda nukleotida u iRNK, a ovaj od genetičke informacije, koju je primio od odgovarajućeg gena, tj. od njegovog redoslijeda nukleotida.

• Genetičku šifru, ili kod, čine grupe od po 3 uzastopna nukleotida u DNK

• Odgovarajući dio iRNK sadržaće 10 tripleta nukleotida koje nazivamo kodoni, a na tRNK antikodoni

• Kad molekul iRNK prolazi kroz ribozom, određeni kodon pozvaće tRNK sa odgovarajućim antikodonom, a ova će na suprotnom kraju nositi određenu aminokiselinu

• Pomjeranjem ribozoma duž molekula iRNK, vezivaće se naredni tRNK molekuli koji nose odgovarajuću AK, i formiraće karakterističan polipeptidni lanac, u zavisnosti od rasporeda kodona.

Biotehnologija i genetički inženjering• Pod biotehnologijom, podrazumijevamo

upotrebu bioloških i nadmolekularnih struktura u proizvodne svrhe

• Ona teži ka primjeni organizmenih produkata (enzima) u proizvodne svrhe, ali isto tako na usmjereno prekrajanje živih bića da bolje odgovore zahtjevima industrijske proizvodnje

• Prerada bioloških produkata naziva se bioinženjerstvo, a prepravljanje genetičke strukture organizama genetičko inženjerstvo.

• Pod genetičkim inženjerstvom podrazumijeva se manipulisanje genetičkim materijalom da se on prenosi iz jednog živog sistema u drugi, pa dobijemo organizam sa drugačijim kombinacijama gena. Pri tome postoji:

• Gensko

• Hromozomsko

• Genomsko inženjerstvo

   

• Od biotehnologije i genetičkog inženjeringa, očekuje se da bitno povećaju i pojeftine proizvodnju hrane

• Genetički inženjering utvrđuje i strukturu određenih dijelova DNK, što omogućuje dijagnozu nekih bolesti prije nego što se manifestuju

• Ono omogućava kombinovanje gena i željenih osobina uz stvaranje novih genotipa, koji dosad nisu postojali u prirodi.

• Razvojem i masovnijom primjenom novih tehnologija u oblasti medicine, genetika dobija sve značajniju ulogu. Ona će, po mnogima, biti jedna od ključnih nauka novog doba.

Knjiga života• Knjiga života, ljudska genetska karta, dovršena

je nakon decenija napornoga zajedničkog rada stotina znanstvenika SAD-a, Velike Britanije, Francuske, Njemačke, Japana i Kine, a sadrži genetska uputstva koja nas čine onima koji jesmo

• U istraživanju su sudjelovale dvije organizacije: javno finansiran angloamerički Human Genome Project i Celera Genomics Corporation, privatna tvrtka u Marylandu, SAD.

• Rezultati istraživanja Celere objavljeni su u američkom časopisu Science, a otkrića Human Genome Projecta u britanskom časopisu Nature.

• Informacije knjige ljudske vrste pomoći će u spoznavanju ljudskog razvoja, psihologije, sociologije, medicine...

• Prvenstveno će otvoriti put prema personalizovanoj medicini - svaka će se osoba liječiti prema posebnim standardima koji odgovaraju njenom jedinstvenoj genetskoj sekvenci.

Kratki sadržaj "KNJIGE ŽIVOTA" ljudskog genoma:

- genom je potpuni ispis kodiranih uputstava potrebnih za opstojnost ljudske jedinke (i svakog drugog živog bića)

- ljudsko tijelo sadrži 100 trilijuna stanica od kojih svaka sadrži dvostruku uzvojnicu DNK koda koji, pak, sadrži 3,1 milijardu "slova", ili, parova baza

- četiri slova abecede DNK (A, C, G, T), kod kojih niz od tri slova odgovara jednoj amino kiselini, nose uputstva za stvaranje svih živih organizama

- ljudi sadrže, otprilike, od 30 000 do 40 000 gena (Celera Genomics govori o 26 383 - 39 114 gena), za polovicu ili trećinu manje od ranije pretpostavljenog broja (što je, na primjer, samo dva puta više nego kod crva ili muhe, te samo za 300 više od miša)

- ljudi koji potječu iz različitih "rasnih" skupina mogu biti genetski sličniji nego ljudi unutar jedne "rasne" skupine - dakle, pojam "rase" definitivno nije znanstveni pojam

- genetski "pool"(bazen) Afrikanaca sadrži više raznolikosti (varijacija) nego bilo koji drugdje na svijetu, a genetske raznolikosti u svijetu samo su slijed afričkih (dokaz je to u prilog "Afričke teorije" o podrijetlu ljudi)

- žene i muškarci razlikuju se po X i Y kromosomu. Kako se većina varijacija - mutacija gena - slijedom kojih se događa evolucija događa na Y kromosomu, za većinu mutacija odgovorni su, zbog Y kromosoma, muškarci

- postoji 20 građevnih blokova aminokiselina koji u nizu različitih kombinacija proizvode različite proteine

- u svakoj ljudskoj stanici nalazi se, otprilike, 180 centimetara DNK "upakiranih" u strukture promjera samo 0.001016 centimetara

- kada bi se sve DNK ljudskog tijela sastavile, od jednog do drugog kraja, dostigle bi duljinu jednaku 600 razdaljina od Zemlje do Sunca

- informacije genoma ispisale bi knjigu debljine 61 metar

- usporede li se bilo koja dva čovjeka na svijetu, bilo koje etničke pripadnosti, pokazala bi se razlika DNK od najviše i samo 0,2 %, ili po 1 "slovo" od 500, tako da se "Knjiga života" slobodno može nazvati KNJIGOM GENOMA LJUDSKE VRSTE (i uzgred, ljudska DNK se u 98 posto preklapa s DNK čimpanze)

• No, nedavno su naučnici usporedili gene koje je identifikovao Human Genom Project i gene koje je identifikovala Celera Genomics, a nakon toga rezultate usporedili s trećom bazom sekvenci ljudskih gena, Refseq.

• Otkrili su iznenađujuće malo preklapanje identifikovanih gena u dvije baze sekvenci ljudskog genoma. Samo se polovica gena u oba konzorcija preklapa. Stoga su došli do zaključka da je potpuni broj ljudskih gena mnogo veći.

• Priča o "knjizi života" se očigledno nastavlja..

Human Proteome Project• Trio međunarodnih korporacija namjerava napraviti korak

dalje od Projekta ljudskog genoma i mapirati identitet i funkciju svakog proteina u ljudskome tijelu.

• Tinta prvog ispisa ljudskog genoma jedva da se osušila, a već su se tri tvrtke uputile dalje i objavile 185 milijuna dolara težak Projekt ljudskog proteoma - mapiranje identiteta i funkcije svakog proteina u ljudskome tijelu.

• Projekt će voditi biotehnološka tvrtka Myriad Genetics, Hitachi, će sudjelovati s kompjutorskim hardverom, a softver će proizvesti Oracle.

• U Myriadu su obećali da će mapa ljudskog proteoma u potpunosti biti dovršena već za 3 godine.

Genetikom protiv bolesti   • Geslo medicine budućnosti bit će "Bolje spriječiti nego

liječiti" - manje će se ići za terapijom, a više za preventivom i uklanjanjem uzroka bolesti.

• Sandy Reaburn, klinički genetičar sa Sveučilišta u Nottinghamu, izjavio je za tjednik New Scientist, da će se medicina budućnosti više temeljiti na sprječavanju bolesti negoli na liječenju, što će biti posljedicom određenja svih gena u ljudskom tijelu

• Liječnici će znanje o ljudskim genima koristiti za razvijanje terapija koje će uklanjati uzroke bolesti, npr. karcinoma i začepljenja arterija, a neće više koristiti terapije koje se u prvom redu oslanjaju na lijekove i uklanjanje stanica koje su već zahvaćene karcinomom.

• Do danas su znanstvenici u potpunosti razotkrili dva hromozoma, a posjeduju i prve genetske slijedove ostalih

• Predviđalo se da će svi hromozomi biti razotkriveni do 2003. godine. Reaburn predviđa da će do 2010. postati uobičajeni lječnički pregledi u kojima će se složenom tehnologijom prikazivati genetske strukture "običnih" bolesti poput dijabetesa, karcinoma, bolesti srca, te mentalnih poremećaja kao što su depresija i šizofrenija.

• Pomoću prikaza gena liječnici će moći utvrditi je li terapija koja se trenutno primjenjuje na pacijentu uspješna, ili je potrebno primjeniti drugačiju.