Budowa i rola DNA #1 [ Genetyka ]

[0:00]Każdy z nas ma unikalny i niepowtarzalny zestaw genów, o ile nie mamy jedno jajowego bliźniaka. A wszystkie nasze cechy fizyczne zapisane są w DNA. To ogrom informacji, jakieś 700 MB, ale można by go zmieścić na coraz rzadziej używanej płycie CD. Czy wiesz jednak, że w 1 g DNA da się upakować milion razy więcej? Mniej więcej 700 TB. Gdyby zatem przerzucić się ze współcześnie stosowanych dysków i zamiast tego magazynować informacje w DNA, zaoszczędzilibyśmy na świecie sporo miejsca. Problemem pozostaje kruchość i nietrwałość takiego nośnika oraz skłonność do powstawania błędów w trakcie kopiowania i powielania informacji. O tym i innych cechach DNA opowiem ci w tym filmie.

[1:03]Pewnie w dzieciństwie każdy bawił się klockami. Kto je zna, ten wie, że mając do dyspozycji nawet podstawowe rodzaje, można tworzyć wielce skomplikowane konstrukcje. Wystarczy tylko w odpowiednio kreatywny sposób połączyć pojedyncze bloczki. Natura często też tak działa. Przykładem może być DNA, czyli kwas dezoksyrybonukleinowy, którym zapisywane są instrukcje powstawania i działania wszystkich żywych organizmów na naszej planecie. DNA wygląda jak skręcona drabinka. Tworzy bardzo długie łańcuchy, jest bowiem polimerem, podobnie jak na przykład skrobia czy celuloza, o których opowiadamy w naszych filmach z chemii. Ale nawet najdłuższy łańcuch tego kwasu składa się z powtarzalnych prostych elementów - nukleotydów, które można porównać do klocków. Każdy klocek tworzą trzy składniki: cukier dezoksyryboza, kwas fosforowy, a w zasadzie jego reszta kwasowa oraz jedna z czterech zasad azotowych: adenina, guanina, cytozyna lub tymina. Odpowiednie ułożenie tych klocków pozwala zaprojektować bakterię, motyla, a także człowieka. O tym, jak to się robi, dowiesz się, gdy skruszysz orzeszka.

[2:24]Zapewne wiesz, na przykład z lekcji informatyki, że komputery można programować w kodzie binarnym. To znaczy takim, gdzie do zapisu wykorzystuje się tylko dwie cyfry: 0 i 1. W takim kodzie tekst niebieskie oczy wyglądałby tak. Instrukcja powstawania człowieka i działania jego komórek wykorzystuje podobny zapis, tyle, że złożony z kombinacji nie dwóch, a czterech elementów klocków. Jedynym zmiennym elementem takiego klocka jest wspomniana wcześniej jedna z czterech zasad azotowych. Reszta elementów w każdym klocku jest taka sama. Nadano im więc nazwy od pierwszych liter tych zasad i dlatego mamy klocek A od adeniny, T od tyminy, C od cytozyny i G od guaniny. Może zauważasz coś jeszcze? Zapis w kodzie binarnym, który pokazaliśmy na planszy, jest dużo dłuższy niż odpowiadająca mu fraza niebieskie oczy. Domyślasz się, dlaczego?

[3:29]Dlatego, że każdą literę alfabetu koduje kombinacje aż ośmiu zer i jedynek. Podobnie jest w DNA. Każdą literę instrukcji dla organizmu koduje nie jeden, a trójka nukleotydów. Zaraz, zaraz zapytasz, ale co właściwie kodują te trójki? Co jest literami w naszej instrukcji? Pomyśl chwilę. Z czego zbudowane jest ciało człowieka, a także przynajmniej po części wszystkich innych żywych stworzeń na naszej planecie? Z białka. A z czego zbudowane są białka? Brawo, z aminokwasów. Każdy aminokwas jest zaś zapisany trójką liter z zestawu A G C T. Można powiedzieć, że ma swój kod trójkowy, czyli kolejne trójki nukleotydów na nici DNA określają, jakie aminokwasy i w jakiej kolejności będą tworzyć cząsteczkę konkretnego białka. Każdy organizm potrzebuje do funkcjonowania wielu różnych, często bardzo skomplikowanych białek. Nic dziwnego, że DNA tworzy do ich opisu bardzo długie cząsteczki. Szacuje się, że długość łańcucha DNA w pojedynczej, mierzącej około 50 mikrometrów komórce to około 2 m. Jak on się tam mieści? To kwestia opakowania. U bardzo wielu organizmów DNA jest dwuniciowe. To znaczy, że zamiast jednego łańcucha są dwa, połączone ze sobą równolegle. Zasady łączenia są proste: klocek A jednej nici zawsze łączy się z klockiem T drugiej, a klocek G z C. Taką regułę nazywamy zasadą komplementarności. Połączone w ten sposób parami zasad łańcuchy tworzą coś w rodzaju sprężyny, a ściślej mówiąc podwójnej helisy, co skraca taki łańcuch podobnie jak skręcenie drutów w sprężynę. Wiemy już na jakiej zasadzie DNA koduje instrukcje powstawania i działania organizmów. Ale to oznacza, że musi być obecne w każdej ich komórce, a w przypadku wielu zwierząt, w tym człowieka, życie zaczyna się od jednej zapłodnionej komórki zygote. Jak zrobić z niej cały skomplikowany organizm? By to osiągnąć, łańcuch DNA przy każdym podziale komórki tworzy swoją wierną replikę, czyli kopię. Mechanizm replikacji wygląda w skrócie tak, że tuż przed podziałem komórki podwójna helisa DNA rozplata się i do każdego z tworzących ją dwóch pojedynczych łańcuchów dobudowywany jest drugi, komplementarny. Pojedyncze nukleotydy dołączane są zgodnie z opisaną już zasadą, A do T, G do C. W efekcie dostajemy dwie podwójne helisy, które po ponownym zwinięciu i upakowaniu w chromosomy zostają rozdzielone do komórek potomnych. Każda z nich dostaje zatem komplet materiału genetycznego, niezbędny do dalszego funkcjonowania, w tym do kolejnych podziałów. Bez replikacji DNA komórki nie mogłyby się dzielić. Bez tego zaś nie moglibyśmy rosnąć i się rozwijać, ani nawet zastępować tych komórek, które się zużywają. Na przykład tworzących naskórek, czy wyściełających jelita. Nie byłoby też mowy o naprawianiu uszkodzeń, zranień, stłuczeń czy złamań. Naukowcy obliczyli, że w zasadzie co 7 lat każdy z nas staje się pod względem komórkowym zupełnie nowym człowiekiem. Bo w tym czasie wymienia większość swoich komórek poza układem nerwowym na nowe. Są tkanki, gdzie zachodzi to szybciej. Na przykład wyściółkę pęcherzyków płucnych wymieniamy raz na tydzień, a na skórę mniej więcej co miesiąc, podczas gdy komórki mięśnia sercowego w tempie poniżej 1% rocznie.

[7:37]Niestety w procesie replikacji zdarzają się błędy i to wcale nie rzadko. Szacuje się, że w losowo wybranym łańcuchu DNA codziennie pojawia się około 1000 uszkodzeń. Większość z nich udaje się szybko naprawić, ale część pozostaje i przy kolejnych replikacjach może zostać przekazana następnym pokoleniom komórek. A teraz przećwiczmy w praktyce zasadę komplementarności. Do podanego ciągu nukleotydów opisanych symbolami zasad azotowych dopisz drugą komplementarną nić.

[8:14]Czy masz tak samo jak ja? Brawo.

[8:21]DNA, czyli kwas deoksyrybonukleinowy zawiera pełną informację o cechach organizmu. Ma kształt podwójnej helisy i składa się tylko z czterech powtarzalnych elementów - nukleotydów. Każdy nukleotyd tworzą: cukier dezoksyryboza, reszta kwasu fosforowego i jedna z czterech zasad azotowych: adenina, guanina, cytozyna lub tymina. Obie nici łączą się ze sobą zgodnie z zasadą komplementarności: adenina z tyminą, a cytozyna z guaniną. Replikacja to inaczej proces kopiowania DNA. Dzięki niemu po podziale komórki zachowują komplet informacji niezbędnych do wzrostu i regeneracji organizmu.

[9:08]Wiesz już, czym jest DNA i jaka jest jego rola. Więcej o tym kwasie i tajemnicach dziedziczenia dowiesz się z innych filmów tej playlisty.