Biologia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Biologia > Genetyka > Historia odkryć genów i genetyka klasyczna 
  Indeks
Genetyka
Historia odkryć genów
i genetyka klasyczna

Badania nad . . .
Komórka . . .
Chromosomy
Prawa G.Mendla
Prace T.H. Morgana
Związek genów i . . .
Geny jako . . .
Podstawy genetyki
Genetyka molekularna
Geny i ewolucja
Świat wirusów i . . .
Inżynieria genetyczna
Słowniczek
  Źródło
Wybrane fragmenty pochodzą z książki
Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer


  Związek genów i białek
 
Geny i białka
 
C
o to znaczy, że gen określa cechę, albo jego allel odmianę, w jakiej cecha ta występuje? By odtworzyć przebieg wydarzeń, które doprowadziły do odpowiedzi na to pytanie, musimy wrócić do XIX wieku. Jednym z największych osiągnięć nauki tego okresu było uznanie komórek, a więc i całych organizmów, za złożone układy chemiczne. Stosując analizę chemiczną ustalono skład komórek, co pozwoliło badać zachodzące w ich wnętrzu reakcje, takie jak wykorzystywanie pokarmu, czyli przetwarzanie pobranej energii w formę, która może być spożytkowana dla wzrostu i funkcjonowania komórek, oraz określać wzajemne oddziaływania między komórkami prowadzące do powstania funkcjonalnej tkanki.
       Dwa spośród licznych w XIX w. odkryć w nowej dziedzinie – biochemii, były szczególnie znaczące. Po pierwsze, cząsteczki zawarte we wnętrzu komórek były ogromne w porównaniu ze związkami takimi jak woda czy cukry proste. Jako pierwsze spośród biologicznych makrocząsteczek opisano białka. Wykazano, że są one zbudowane głównie z węgla, azotu, tlenu i wodoru. Dzisiaj wiemy, że białka są długimi łańcuchami złożonymi z dwudziestu rodzajów małych cząsteczek: aminokwasów. Drugą niespodzianką było odkrycie, że jeśli uwolni się zawartość komórki (np. przez rozcieranie), po czym zawiesi ją w wodzie, to w takim roztworze ciągle zachodzą reakcje, o których myślano najpierw, że są typowe tylko dla nietkniętego organizmu żywego. Pierwszymi opisanymi przykładami takich reakcji była przemiana skrobi w cukier przez ekstrakt z zarodków jęczmienia oraz rozkład skoagulowanego białka kurzego jaja przez wodny roztwór homogenatu wyściółki żołądka zwierząt.
       Dziewiętnastowieczni chemicy szybko dostrzegli podobieństwa między reakcjami zachodzącymi w ekstraktach biologicznych i dopiero co wówczas odkrytym zjawiskiem katalizy. Katalizą określano proces przyspieszania reakcji chemicznej (do kilku tysięcy razy) przez pewną dodatkową substancję (katalizator), która nie ulega w trakcie reakcji zużyciu. Wyciągnięto więc wniosek, że komórki zawierają biologiczne katalizatory – enzymy. Sądzono, że enzymy są białkami. Przypuszczenia te zostały potwierdzone w 1935 roku przez J. H. Northropa z Instytutu Nauk Medycznych im. Rockefellera w Nowym Jorku. Northrop wykazał, że oczyszczone białko pochodzące z wyściółki żołądka bydła domowego jest identyczne z enzymem trawiennym – pepsyną.
       Pierwsze sugestie co do sposobu, w jaki działają geny, pochodziły z badań nad enzymami i pojawiły się, zanim jeszcze wymyślono słowo „gen”. W pierwszej dekadzie XX wieku angielski lekarz Archibald Garrod zauważył, że pewne cechy i choroby ludzi dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla. Nawet bez doświadczalnych dowodów obserwacja ta spotkała się z dużym zainteresowaniem. Odnosząc wyniki doświadczeń genetycznych nad roślinami i muszkami owocowymi do biologii człowieka, Garrod odwoływał się do jedności natury. Podejrzewał, że dziedziczone cechy wynikają z niedoboru lub braku pewnych enzymów potrzebnych dla normalnych procesów chemicznych w komórce. Sądził, że determinanty dziedziczności kontrolują produkcję enzymów. Wobec tego zdolność organizmu do wytwarzania enzymów byłaby uwarunkowana przez jego geny. Mówiąc ściślej, Garrod przypuszczał, że wydajność enzymu zależy od stanu tego genu, który decyduje o jego produkcji.
       Sprawdzenie koncepcji Garroda wymagało zastosowania nowych metod doświadczalnych. Metody takie pojawiły się pod koniec lat trzydziestych wraz z wykorzystaniem do badań laboratoryjnych jednokomórkowych organizmów. Początkowo zwrócono uwagę na proste grzyby. Rosną one bardzo szybko w płynnej pożywce o prostym, choć określonym składzie. Rozmnażają się również bardzo szybko, dając wiele pokoleń w ciągu kilku dni. Taki układ pozwalał biologom badać nie tylko takie widoczne na pierwszy rzut oka cechy jak barwa, ale też dziedziczne cechy metaboliczne – np. to, czy hodowane komórki muszą otrzymać daną substancję w pożywce, czy też mogą wytworzyć ją same. Do połowy lat czterdziestych zgromadzono i porównano wystarczająco dużo danych genetycznych i biochemicznych, by stwierdzić, że obecność lub brak określonego enzymu jest cechą dziedziczną, determinowaną przez pojedynczy gen. George Beadle i Edward Tatum, profesorowie z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, uogólnili zależność między genem a enzymem do twierdzenia: „jeden gen – jeden enzym”. Ponieważ wiadomo było, że enzymy są białkami oraz że niektóre geny kodują białka nieenzymatyczne (np. białka strukturalne układu mięśniowego, kostnego lub hormony – jak insulina), hasło to rozwinięto do postaci: „jeden gen – jedno białko”. Jednak nawet takie określenie zależności między genem a białkiem jest nietrafne. Co więcej, istnieją geny kierujące powstawaniem cząsteczek, które wcale nie są białkami.
       Wzajemna zależność informacyjna wiąże dwa składniki: białko oraz gen, który je określa. To białka nadają komórkom i organizmowi charakterystyczny kształt oraz własności fizyczne, chemiczne i behawioralne. Cechy te są zazwyczaj wynikiem wzajemnej gry między genami organizmu a środowiskiem, w którym się on znajduje.
       W latach pięćdziesiątych wprowadzono do laboratoriów nowy, jeszcze bardziej atrakcyjny organizm modelowy umożliwiający badanie zależności między genami a funkcjami biologicznymi. Jest nią pospolita bakteria jelitowa o prostych wymaganiach pokarmowych – Escherichia coli (w skrócie E. coli). Komórka ta podwaja swój pojedynczy chromosom i dzieli się w ciągu od 20 do 60 minut w zależności od warunków środowiska. Można więc uzyskać dużą liczbę komórek bakteryjnych (miliard na mililitr zawiesiny hodowlanej) w czasie krótszym niż 24 godziny. Wymagania pokarmowe E. coli podlegają kontroli genetycznej. Co więcej, łatwe do uzyskania mutanty pokarmowe pozwalają na szybkie wykrycie alleli genów E. coli. Przykładowo, komórki, które nie są zdolne do syntezy jednego z niezbędnych składników, nie utworzą widocznej kolonii, jeśli nie doda się go do pożywki, natomiast po jej uzupełnieniu będą rosnąć. Dzięki temu zjawisku odkryto związek między poszczególnymi genami a różnymi funkcjami komórki. Ponieważ metody genetyczne stosowane wobec muszki owocowej były nieużyteczne w przypadku bakterii, posłużono się specjalnymi trikami, aby skonstruować mapę pojedynczego chromosomu E. coli.
       Techniki mapowania opracowane przez Morgana opierały się na rekombinacji zachodzącej między parami chromosomów homologicznych – typowej dla płciowego rozmnażania diploidalnych eukariontów. E. coli, jak inne organizmy prokariotyczne, rozmnaża się przez podwojenie chromosomu i podział komórki. Każda komórka potomna otrzymuje w wyniku podziału jedną kopię chromosomu. Prokaryota są więc zawsze organizmami haploidalnymi i chociaż istnieją różne allele genów prokariotycznych, znajdują się one w różnych komórkach. Na przykład gen umożliwiający bakterii wykorzystanie cukru prostego – glukozy jako źródła energii może występować w postaci dwóch alleli: funkcjonalnego oraz zmutowanego w sposób uniemożliwiający rozkład glukozy. Hodując bakterie na pożywce z glukozą łatwo sprawdzić, który z dwóch alleli zawierają komórki. Można więc w pełni wykorzystać zdolności bakterii do szybkiego, bezpłciowego rozmnażania, produkcji dużej liczby potomstwa oraz istnienia wielu mutantów E. coli do analizy genetycznej. Wykorzystano też fakt, że w pewnych sytuacjach prokarionty mogą stać się przejściowo diploidalne. Ich genetyczna analiza umożliwiła ustalenie kolejności genów na chromosomie E. coli.
góra strony
poprzedni esej następny esej
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach