Choć oszacowanie tej liczby jest naprawdę trudne, możemy z całkiem dużą pewnością przyjąć, że każdego dnia wiele milionów komórek twojego ciała umiera. Jedne są po prostu stare i opuszczają ten świat, ponieważ wypełniły już wszystkie swoje zadania, a inne poddawane są eliminacji w wyniku uszkodzeń i zaburzeń funkcjonowania. Skoro więc każdego dnia tak wielka część ciebie najzwyczajniej w świecie zalicza kopniaka w kalendarz, potrzebny jest przecież jakiś system uzupełniania ubytków, prawda? Prawda. Dobre wieści są takie, że każdego dnia, oprócz gigantycznej liczby uśmierconych komórek, w twoim organizmie pojawia się także multum nowych, gotowych do przejęcia funkcji tych, które odeszły. A to oznacza natomiast, że każdego dnia w twoim własnym organizmie replikacja materiału genetycznego zajść musi wiele milionów razy. [su_spacer]
Brzmi jak wyzwanie
Jeśli rozwinąć by łańcuch DNA zawarty w jednej twojej komórce, osiągnąłby on długość ponad półtora metra. Już sam fakt, że coś tak potwornie długiego, po pierwsze, mieści się w jądrze, czyli strukturze niedostrzegalnej nawet w niektórych mikroskopach, a po drugie, daje się skopiować, jest… tak właściwie nie do wiary. A co jeszcze lepsze – całe to kopiowanie zachodzi w sposób tak dokładny, że jakiekolwiek błędy zdarzają się raz na kilka milionów. Replikowanie, mutowanie i naprawianie DNA to te biologiczne zjawiska, w obliczu których trudno jest nie złapać się na głowę i to właśnie o nich pogadamy sobie dzisiaj. Chodźcie!
[su_spacer]
Błędy, błędy, błędy…
Jeśli rozpatrywalibyśmy replikację DNA jako reakcję chemiczną, polegającą na tworzeniu łańcuchów kwasu dezoksyrybonukleinowego bez udziału żadnych enzymów (co, tak gwoli ścisłości, możliwe jest póki co tylko w teorii), jej dokładność wynosiłaby jakieś 90-95%. Oznacza to, że na każde sto nukleotydów tworzących łańcuch DNA, od pięciu do dziesięciu z nich byłoby źle wstawionych. Wydaje się, że to niewiele, a skuteczność całego procesu jest nawet niczego sobie, prawda?
Hm… Niby tak, tylko teraz wykonajmy kilka szybkich działań. Najpierw przemnóżmy te 5% nukleotydów przez jakieś 6 miliardów (bo właśnie tyle zasad azotowych zawiera ludzki genom) i miliony replikacji zachodzących każdego dnia. A potem jeszcze razy kilkadziesiąt tysięcy dni, które dane będzie przeżyć przeciętnemu człowiekowi. Jakby to powiedzieć… Nie ma opcji, żeby na bazie tak chwiejnego systemu życie mogło w ogóle być kontynuowane. I właśnie dlatego replikację przeprowadzają specjalne enzymy, zwane polimerazami DNA. Polimerazy zwiększają skuteczność właściwego dopasowywania się do siebie komplementarnych zasad o kilka ładnych rzędów wielkości – potrafią selekcjonować odpowiednie nukleotydy, wykazują także aktywność korektorską, czyli zdolność do poprawy własnych błędów. Ot, na przykład polimeraza DNA bakterii E. coli jest w stanie syntetyzować nowe nici DNA, myląc się przy tym zaledwie raz na dziesięć milionów nukleotydów. Jest różnica, prawda? Tak, tyle tylko, że i tak przy każdym podziale komórki, dochodzi do kilku – kilkudziesięciu tysięcy (!) pomyłek.
[su_row]
[su_column size=”1/6″]
[su_spacer]
[/su_column]
[su_column size=”1/6″]
[/su_column]
[su_column size=”4/6″]
[su_icon_panel shadow=”0px 1px 2px #eeeeee” icon=”icon: question”]Po co nam mutacje?
Czy nie dało się zaprojektować całego tego systemu lepiej? Tak, żeby mutacji nie było wcale? Być może dałoby stworzyć się taki perfekcyjny system, który na zawsze uchroniłby nas przed nowotworami i chorobami genetycznymi, są jednak dwa małe ale. Po pierwsze, potrzebowalibyśmy do tego nieskończonej ilości energii. Po drugie – takie skonstruowanie życia uniemożliwiłoby jego ewolucję i pozbawiło jakiegokolwiek sensu. Cała zmienność i rozwój różnych form życia opiera się właśnie na tym, że spontanicznie i losowo pojawiające się mutacje, pozwalają organizmom na nabywanie nowych cech. Gdyby nie mutacje, nie byłoby nas na świecie. Upraszczając sprawę, można powiedzieć, że ceną za życie jest bycie skazanym na mutacje:) [/su_icon_panel]
[/su_column]
[su_row]
[su_column size=”1/6″]
[su_spacer]
[/su_column]
[su_column size=”1/6″]
[/su_row]
Mutacje i ich skutki: czy każda zmiana w DNA wyrządza nam szkodę?
Choć mutacje kojarzą nam się źle, bo zazwyczaj słyszymy o nich wyłącznie w kontekście chorób, tak naprawdę wielka część z nich nie wpływa w żaden sposób na funkcjonowanie DNA. Nasz genom jest tak dziwnie skonstruowany, że lwia część DNA nie koduje właściwie niczego i szacuje się, że około 98% całego ludzkiego genomu może mutować nie dając przy tym żadnego znaczącego efektu, ponieważ nie zawiera sekwencji kodujących. O mutacjach tego typu mówi się, że są ciche. Ot, po prostu, wkradają się do DNA, nie robiąc przy tym nikomu krzywdy i mogą sobie siedzieć tak ukryte przez całe nasze życie.
Mutacja cicha nie ujawniająca się w fenotypie. Schemat.
O wiele ciekawiej robi się, kiedy zajmiemy się mutacjami, które wywołują w naszych komórkach jakieś zmiany. Pod tym względem można najprościej podzielić je na dwie kategorie:
- te, które powodują utratę jakiejś funkcji,
- te, które powodują jej nabycie.
[su_row]
[su_column size=”3/4″]
Co do tych pierwszych – komórka może na przykład utracić jeden allel genu potrzebnego do syntezy jakiegoś białka. Choć sytuacja brzmi dramatycznie, zazwyczaj wcale taka nie jest, bo jako organizmy diploidalne, mamy po dwie wersje danego genu. Jeśli utracimy tę od mamy, ta od taty zazwyczaj jest w stanie pracować tak, by uzupełnić braki i – zgodnie z tym przykładem – wyprodukować na tyle dużo białka, by komórka nie odczuła uszkodzenia w jednej z nici DNA.
Niezmutowany allel rekompensuje brak aktywności allelu zmutowanego. Schemat.
[/su_column]
[su_column size=”1/4″]
[su_icon_panel shadow=”0px 1px 2px #eeeeee” icon=”icon: book”]Allel – wersja danego genu. Każdy z nas ma po dwa allele każdego genu – jeden po mamusi i jeden po tatusiu[/su_icon_panel]
[/su_column]
[/su_row]
Jeśli idzie natomiast o nabywanie nowych funkcji, mutacje w DNA mogą na przykład doprowadzić do tego, że komórka produkować będzie jakieś białko, które powstawałoby także w normalnych warunkach, tyle tylko, że będzie wydzielać je w nadmiarze lub też w takiej postaci, która wykazuje nadaktywność. W tym przypadku sytuacja jest trochę bardziej groźna – do wywołania zamieszania wystarcza tylko jeden zmutowany allel – w takim układzie drugi nie jest w stanie zrekompensować działalności uszkodzonego kolegi. Skoro czegoś pojawia się za dużo, to, mówiąc łopatologicznie, jest już po ptokach, a nadmiaru nie da się usunąć.
Nadprodukcja białka będąca wynikiem wzmożonej aktywności jednego allelu. Schemat.
[su_spacer]
Nabywanie nowych funkcji i nowotworzenie
Co ciekawe, z nabywaniem nowych funkcji często mamy do czynienia w przypadku nowotworów. Szczególnie jaskrawym przykładem jest tutaj tzw. chłoniak Burkitta. W ogromnej większości przypadków za jego przyczynę uznaje się pewną translokację, czyli przeniesienie genu z jednego miejsca w genomie na inne. W tym wypadku chodzi dokładniej o gen c-myc – ważny regulator, który steruje cyklem życia komórki – jej podziałami i śmiercią. Gen ten, w wyniku mutacji, przenosi się na nie swój chromosom i usadawia w pobliżu fragmentu mającego wpływ na podziały limfocytów B. W wyniku takiej konfiguracji genowej, limfocyty zaczynają dzielić się jak szalone, doprowadzając ostatecznie do rozwoju chłoniaka.
[su_spacer]
No dobra, ale co teraz?
Skoro każdego dnia tak wiele mutacji przytrafiać może się w niemal wszystkich komórkach naszego ciała, to jakim cudem w ogóle funkcjonujemy, żyjemy i wszyscy nie umarliśmy zaraz po urodzeniu? Powodów jest kilka. Po pierwsze – tak jak pisałam na początku, nie każda mutacja ma w ogóle jakikolwiek wpływ na funkcjonowanie organizmu. Po drugie – pojedyncze mutacje w kluczowych, bo kodujących, 2% naszego DNA bardzo rzadko prowadzą od razu do chorób. Zazwyczaj to ich nagromadzenie prowadzi do rozregulowania pracy komórki, a żeby mutacje mogły się nagromadzić potrzeba im do tego sporo czasu. Widzieliście pewnie kiedy poniższe zdjęcie:
Mężczyzna z portretu przez 28 lat pracował jako kierowca ciężarówki, nieustannie wystawiając lewą połowę swojej twarzy na działanie słońca. Obrazek doskonale pokazuje jak długotrwałe eksponowanie się na czynniki mutagenne (bo właśnie takim jest promieniowanie UV) jest w stanie doprowadzać do stopniowej degradacji i zaburzania pracy komórek.
Najważniejszym mechanizmem, który zabezpiecza nas przed mutacjami i ich negatywnymi skutkami jest jednak naprawa DNA, czyli kolejny gigantyczny temat o wielkiej doniosłości, za badania nad którym przyznano zeszłorocznego Nobla z chemii. I to o nim pogadamy sobie za kilka dni. I tak rozpisałam się już za bardzo.
Zatem na dzisiaj to już wszystko. Idźcie, mutujcie w pokoju i czytamy się w weekend!:)
[su_icon icon=”icon: heart”]Buzi![/su_icon]
Bardzo fajny wpis. Pytanie – skąd wniosek o „nieskończonej ilości energii” potrzebnej do działania systemu w którym nie występują mutacje?
Przyznam ci szczerze, że nie do końca załapałam clou tego wywodu, ponieważ nie jestem matematykiem i nie znam się na teorii informacji, ale na niedawnym wykładzie, pewien profesor genetyk/ewolucjonista tłumaczył nam, że powielanie informacji w układzie biologicznym z nieskończoną dokładnością nie jest możliwe bez udziału nieskończenie wielkiej ilości energii. Da się to jakoś uzasadnić matematycznie, ale – tak jak pisałam – to już dla mnie zbyt wysoka poprzeczka.
Tak właściwie, jeśli jest tu jakiś matematyk z prawdziwego zdarzenia, to chętnie sama wysłucham, o co dokładnie chodzi:)
OK, dzięki za naprowadzenie, że chodzi o teorię informacji, coś pogrzebię na własną rękę zatem ;); coś mi mówi, że rozchodzi się o II prawo termodynamiki
no termodynamika też pewnie ma coś do rzeczy, bo skoro entropia musi stale wzrastać, to błędy muszą się stale pojawiać, a ich doskonale wydajna naprawa byłaby jak działanie wbrew termodynamice.
Termodynamika ma dużo wspólnego z teoria informacji (vide termodynamiczna entropia i entropia Shannona w teorii informacji) – coś o czym zawsze chciałem więcej poczytać, więc może to dobry moment :P biorąc pod uwagę, że synteza nowej nici DNA odbywa się w „fizycznej” przestrzeni, poprzez działania molekuł podlegających prawom termodynamiki, ale może być opisana w kontekście teorii informacji, może być to ciekawy test case :P odezwę się jak znajdę coś ciekawego ;)
Można argumentować następująco (po przerzuceniu McCulloh & Kunkel, Cell Res., 2008 i Kool, Annu Rev. Biochem. 2002), zakładając termodynamiczną kontrolę replikacji:
Rozpatrując wstawienie „właściwego” i „niewłaściwego” nukleotydu do łańcucha jako dwie konkurujące reakcje, charakteryzujące się entalpiami swobodnymi odpowiednio deltaG1 i deltaG2, selektywność w kierunku właściwej reakcji osiągana jest przez deltaG1 < deltaG2; istotnie, dążąc do całkowitego wyeliminowania możliwości zajścia reakcji "niewłaściwej" ta różnica musiałaby być nieskończenie duża (zakładając, że obie deltyG są mniejsze od zera).
Tym niemniej, można wyobrazić sobie system, w którym naprawa byłaby tak wydajna, że, powiedzmy, wprowadzenie jednej mutacji trwałoby np. czas życia wszechświata (z termodynamicznego punktu widzenia sporo rzeczy jest możliwych, np. to, że całe powietrze w pomieszczeniu zbierze się w jednym rogu i wszyscy obecni się uduszą; w praktyce, nigdy się tak nie stanie (to w praktyce jest ważne;)),
ale tak się nie stało, co może sugerować, że mutacje były ważne w procesie ewolucji samego DNA i replikacji, co trąci nieco incepcją. Typowo, Natura zadowoliła się "wystarczająco dobrym" systemem replikacji, nie dbając o jego jeszcze lepszą dokładność
Na pewno nie wbrew. Entropia musi zawsze rosnąć lub być stałą w układach izolowanych. Życie to zespół procesów, które potrafią entropie lokalnie zmniejszyć. Tylko musi uzupełniać energię. Im bardziej skomplikowany organizm tym mniej efektywny energetycznie. Dużo strat energii na podtrzymanie lub zmniejszenie entropii.
Ja to bym chciał się dowiedzieć z czego wynikają błędy a) w ogóle i b) w takiej skali, przy braku enzymów. Obecność enzymów to właśnie dowód na zmniejszanbie entropii i to jest kosztowne.
Ale to jest wszystko ciekawe :O Swoją drogą – masz może do polecenia jakieś fajne książki takiej biologicznej tematyce, ale napisane tak łopatologicznie coby każdy to bez problemu zrozumiał? Czytałam ,,historię wewnętrzną” i strasznie mi się podobała, szukam kolejnych pozycji :) Zastanawia mnie jeszcze jedno… czy jest możliwe, że kiedyś ta część DNA, o której piszesz, że nic nie koduje zostanie dokładniej zbadana i okaże się że jednak koduje coś czego dzisiaj ni jesteśmy w stanie znaleźć?
Buziaki
Brunetka <3
http://kasiagandor.com/2015/12/najlepsze-prezenty-dla-pasjonata-nauki-czesc-i/ tutaj pisałam o różnych fajnych książkach:)
Rysunki <3
Odpowiedziałaś dzisiaj na to najbardziej upierdliwe pytanie świata – jaki jest sens życia!
Uwielbiam Twoje rysunki w tekstach. Są genialne, niebanalne, a pokazują o co c’mon. Mimo, że kompletnie nie jestem związana z takowymi tematami już, mimo że opuściłam biolchem na rzecz matfiza kiedyś, to lubię powracać do chwil, gdzie bardziej liczyły się mitochondria dla mnie niż wzór Viete’a dla 3 potęgi
Świetnie pokazane! Zatem czy można powiedzieć, że profilaktyką niektórych mutacji jest dieta o wysokiej zawartości antyoksydantów? Przecież musi istnieć jakiś system obronny w naszym organizmie, który nie dopuści do mutacji, tak na chłopski rozum. Organizm zawsze ma mechanizmy obronne
Nie można. Reakcje redox to całkiem skomplikowana sprawa i spożywanie antyoksydantów niczego nie zmienia. Lepiej zapomnij.
Ciekawy tekst, obrazki mistrzostwo :D
Trafne, krótkie podsumowanie w ramce o tym, po co są mutacje. Tzn. wiadomo, nie można dosłownie mówić po co są, one po prostu są, ale są też przyczyną tego, o czym my mówimy 'po co’ :-).