Budowa i funkcje genów

Geny to fragmenty DNA zawierające informacje niezbędne do wytworzenia białka lub RNA. Możemy wyróżnić geny kodujące białka (określające budowę łańcucha polipeptydowego) oraz geny kodujące RNA (wszystkie rodzaje RNA oprócz mRNA).

W strukturze genu wyróżniamy część strukturalną (podzieloną na eksony i introny) oraz części regulatorowe. Eksony zawierają informacje o kolejności aminokwasów w białku lub nukleotydów w RNA, a introny to odcinki niekodujące. Części regulatorowe kontrolują odczytywanie informacji genetycznej. Im bardziej złożony organizm, tym więcej sekwencji niekodujących w jego genomie.

Ze względu na budowę wyróżniamy geny ciągłe (występujące głównie u prokariotów) oraz geny nieciągłe (typowe dla eukariotów). Geny ciągłe nie zawierają intronów - ich część strukturalna składa się wyłącznie z sekwencji kodujących. Geny nieciągłe zawierają zarówno introny jak i eksony.

Warto zapamiętać! Informacja zawarta w genie określa nie tylko budowę wytwarzanej cząsteczki, ale także rodzaj komórek, w których powinna być produkowana, tempo jej wytwarzania, czas obecności w komórce, miejsce docelowe i warunki konieczne do jej wytworzenia.

Genomy i ich organizacja

Genom to kompletna informacja genetyczna komórki lub materiał genetyczny wirusów czy wiroidów. Składa się z genów oraz DNA pozagenowego, w którym występują sekwencje powtarzalne nukleotydów (znajdujące się w centromerach i telomerach) oraz pseudogeny (fragmenty przypominające geny).

Genom komórki prokariotycznej jest stosunkowo prosty - składa się z jednego kolistego chromosomu bakteryjnego znajdującego się w nukleoidzie oraz plazmidów. Plazmidy to mniejsze koliste cząsteczki DNA, które zawierają informacje o cechach przydatnych, ale niekoniecznie niezbędnych do życia. Ulegają one replikacji niezależnie od chromosomu bakteryjnego.

Genom komórki eukariotycznej jest znacznie bardziej rozbudowany. Główna część genomu (genom jądrowy) występuje w postaci liniowych chromosomów. Ciekawe jest to, że wielkość genomu rośnie wraz ze złożonością organizmu, ale liczba genów niekoniecznie ma z tym związek. Dodatkowo, część informacji genetycznej znajduje się w organellach - mitochondriach i chloroplastach (genom organellowy).

Ciekawostka! Mitochondria i chloroplasty mają własne, koliste DNA związane z białkami niehistonowymi. Dzięki temu są półautonomiczne, choć do poprawnego funkcjonowania potrzebują też informacji z genomu jądrowego.

Chromatyna i upakowanie DNA

Chromatyna to DNA związane z białkami i odpowiednio upakowane. Proces upakowywania DNA zaczyna się od nawinięcia DNA na białka histonowe, tworząc nukleosomy. Następnie przyłączane są histony łącznikowe i całość układa się w tzw. solenoidy (włókna 30 nm).

Między podziałami komórki wyróżniamy dwa rodzaje chromatyny: euchromatynę (luźno upakowane włókna zawierające aktywne geny) i heterochromatynę (ściśle upakowane włókna z nieaktywnymi genami i DNA pozagenowym). Podczas podziału komórki chromatyna ulega dalszej kondensacji, tworząc pętle, a następnie chromosomy.

Upakowanie DNA jest niezbędne - w jądrze komórki człowieka znajduje się ok. 2 m DNA, podczas gdy średnica jądra to zaledwie 5-8 µm! W najbardziej skondensowanej formie długość cząsteczki DNA zmniejsza się około 9 tysięcy razy.

Genomy wirusów są niezwykle ekonomiczne - zawierają cząsteczki DNA lub RNA o zróżnicowanej liczbie genów. Jako pasożyty wykorzystują maszynerię komórki gospodarza, więc nie potrzebują wielu własnych genów. Co ciekawe, geny wirusów mogą na siebie nachodzić, co pozwala jeszcze ściślej upakować informację genetyczną.

Interesujące! Genom jednego z bakteriofagów zawiera tylko 11 genów, niektóre z nich zachodzą na siebie, a DNA pozagenowy stanowi zaledwie 5% całego genomu. To prawdziwy majstersztyk wydajności w świecie genetyki!