Mikrobų genetika. Įvadas

https://www.coursera.org/learn/genetics-society

Genetika – mokslas apie paveldimumą. Ši mokslo sritis tiria, kas yra genai, kaip jie perneša informaciją, kaip genai replikuojami ir perduodami tolimesnėms ląstelių kartoms ar perduodami kitiems organizmams, bei kaip organizmo turima informacija yra išreiškiama ir lemia to organizmo savybes. 

Visa ląstelėje esanti genetinė informacija yra vadinama genomu. Ląstelės genomą sudaro chromosomos ir (jei turi) plazmidės. Chromosomos yra DNR turinčios struktūros, kurios saugo paveldimą informaciją, tai yra, chromosomose yra genai. Genai yra DNR segmentai (išskyrus kai kuriuos virusus, kurių genai yra užkoduoti RNR molekulėje), kurie koduoja funkcinius produktus.

http://www.biologyexams4u.com/2013/04/how-to-calculate-percentages-of-bases.html#.WmEIwzfLhPY

Prisiminkime, kad DNR yra makromolekulė, sudaryta iš pasikartojančių vienetų – nukleotidų. Kiekvienas nukleotidas susideda iš nukleobazės (adeninas, timinas, citozinas arba guaninas), deoksirobozės (pentozė, penkis anglies atomus turinti cukraus molekulė) ir fosfatinės grupės. Ląstelėse DNR yra ilgos nukleotidų grandinės, kurios susipina tarpusavyje ir suformuoja dvigubas spirales. Fosfato liekanos ir cukrūs sudaro kiekvienos DNR grandinės karkasą, o prie kiekvieno cukraus yra prijungta nukleobazė. Dvi grandines kartu laiko vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp šių bazių. Ne bet kurios priešingų grandinių bazės gali susijungti. Bazių poros susidaro tam tikra tvarka: adeninas poruojasi su timinu, citozinas poruojasi su guaninu. Tai yra Čargafo taisyklė. Kadangi bazės jungiasi tam tikra tvarka, tai vienos grandinės bazės apsprendžia kitos grandinės bazes (žinant vienos grandinės bazes, galima atkurti antrosios grandinės bazių seką). Taigi, dvi DNR grandinės yra komplementarios.

DNR struktūra padeda paaiškinti dvi pagrindines biologinės informacijos saugojimo ypatybes. Pirma, linijinė bazių seka pateikia faktinę informaciją. Naudojant bazes DNR grandinėse, genetinė informacija yra koduojama lygiai tokiu pačiu būdu, kaip ir rašytinė kalba naudojant raides. Tačiau genetinė kalba naudoja tik keturias raides – keturias nukleobazes. Bet 1000 šių keturių bazių, iš kurių susidaro vidutinio ilgio genas, gali susidėlioti 4¹⁰⁰⁰ skirtingų būdų! Toks neįsivaizduojamas skaičius paaiškina, kaip genai gali skirtis tarpusavyje, kad suteiktų visą ląstelės augimui ir funkcionavimui reikalingą informaciją. Genetinis kodas yra taisyklių rinkinys, pagal kurį nukleotidų seka konvertuojama į baltymo aminorūgščių seką.

Antra, komplementari struktūra užtikrina tikslią DNR duplikaciją ląstelės dalijimosi metu. Kiekviena nauja ląstelių karta gauna vieną originalią seką iš tėvų. Taip yra užtikrinama, kad viena grandinė bus funkcionali.

Didelė dalis ląstelės metabolizmo susijusi su genetinės informacijos transliavimu į tam tikrus baltymus. Genai dažniausiai koduoja informacinės RNR (iRNR) molekules, kurių galutinis rezultatas yra baltymo formavimas. Taip pat geno produktais gali būti ribosominė RNR (rRNR), transportinė RNR (tRNR) ar mažosios RNR (miRNR). Vėliau aptarsime, kaip šie RNR tipai dalyvauja baltymų sintezės procese. Kai galutinė molekulė, kurią koduoja genas (pavyzdžiui, baltymas), yra pagaminama, teigiama, kad genas buvo ekspresuotas (pasireiškė jo raiška). 

Genotipas ir fenotipas

Genotipas – organizmo paveldimumo faktorių visuma, tai yra, genų visuma, koduojanti organizmo savybes. Genotipas pateikia potencialias savybes, bet ne visas organizmui pasireiškiančias savybes (teoriškai, savybių turėtų būti daugiau). Faktines, ekspresuotas organizmo savybes, pavyzdžiui organizmo gebėjimas atlikti tam tikras chemines reakcijas, vadiname fenotipu. Fenotipas yra išreikštas genotipas.

Molekuliniais terminais, organizmo genotipas yra genų rinkinys, jo DNR. Kaip molekuliniais terminais apibūdinamas fenotipas? Tam tikra prasme, fenotipas yra organizmo baltymų rinkinys. Didžioji dalis ląstelės savybių pasireiškia dėl jo baltymų struktūrų ir funkcijų. Mikrobų atveju, dauguma baltymų yra fermentai (katalizuoja tam tikras reakcijas) arba struktūriniai baltymai (sudaro didelius funkcinius kompleksus, pavyzdžiui, membranas ar žiuželius). Net ir fenotipas, kuris priklauso nuo kitų makromolekulių (lipidų ar angliavandenių), netiesiogiai susijęs su baltymais. Pavyzdžiui, kompleksinio lipido ar angliavandenio molekulė susidaro fermentų (baltymų) katalizuojamose reakcijose. 

DNR ir chromosomos

Įprastu atveju bakterijos turi vieną žiedinę chromosomą, turinčią vieną žiedinę DNR molekulę, kuri yra prisijungusi baltymus. Chromosoma yra įvairiai susilanksčiusi ir vienu ar keletu taškų prijungta prie plazminės membranos. E. coli DNR turi apie 4,6 milijonus bazių porų ir yra apie 1 mm ilgio – maždaug 1000 kartų ilgesnė, nei pati ląstelė. Tačiau, chromosoma užima tik apie 10% ląstelės tūrio, nes DNR yra susisukusi arba kitaip superspiralizuota. 

http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/problems/exchange/conjugation/

Kiekvieno geno vieta bakterijos chromosomoje buvo nuspręsta atliekant eksperimentus, perkeliant genus iš vieno organizmo kitam. Šie procesai bus aptarti vėlesniuose įrašuose. Taigi, bakterijų chromosomos žemėlapis yra sudarytas pagal minutes, atitinkančias kada genai yra perkeliami nuo vieno organizmo kitam. Visas genomas nėra sudarytas iš vienas po kito einančių genų. Nekoduojamos genomo sritys yra vadinamos trumpais tandeminiais pasikartojimais (short tandem repeats STR), kurių yra daugumoje genomų, įskaitant ir aptartą E. coli. STR yra pasikartojančios sekos, sudarytos iš 2-5 bazių.

Naudojant šiuolaikines technologijas galima sužinoti visą chromosomos (DNR) bazių seką. Kompiuteriai ieško atvirų skaitymo rėmelių, tai yra DNR regionų, kurie tikėtina koduoja baltymus. Tai yra bazių seka tarp start ir stop kodonų (kuriuos taip pat aptarsime vėlesniuose įrašuose). Genomų sekvenavimas (nuskaitymas) ir molekulinis charakterizavimas yra vadinamas genomika. 

Genetinės informacijos srautas

DNR replikacija užtikrina genetinės informacijos tekėjimą nuo vienos kartos kitai. DNR replikuojasi prieš ląstelės dalijimąsi, taigi, kiekviena ląstelė palikuonė gauna chromosomą, identišką tėvinei. Kiekvienoje gyvybingoje ląstelėje, genetinė informacija, koduota DNR, yra transkribuojama į iRNR ir vėliau transliuojama į baltymus. Transkripcijos ir transliacijos procesus aptarsime ateinančiuose įrašuose. 

https://www.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/central-dogma-transcription/v/rna-transcription-and-translation

Sekit ir dalinkitės. Nauji įrašai kiekvieną pirmadienį ir ketvirtadienį. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai:

• Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke, Christine L. Case. “Microbiology. An Introduction”. 11th edition. p.208-209