Нуклеински киселини

Нуклеинските киселини се макромолекули кои претставуваат основни носители на генетската информација кај сите живи организми. Тие ја складираат, пренесуваат и реализираат генетската информација неопходна за функционирање, развој и репродукција на клетките. Во хуманата генетика, нуклеинските киселини се од централно значење, бидејќи преку нив се објаснуваат процесите на:

• наследување на особини
• синтеза на протеини
• генетска регулација
• појава на генетски заболувања

Постојат два основни типа на нуклеински киселини:

• Дезоксирибонуклеинска киселина (DNA)
• Рибонуклеинска киселина (RNA)

1. Хемиска градба на нуклеинските киселини

Основните градбени единици на нуклеинските киселини се нуклеотиди.

Нуклеотидот е составен од три компоненти: азотна база, пентозен шеќер, фосфатна група.

1. Азотни бази

Азотните бази се органски соединенија кои содржат азот. Се делат на две групи:

Пурини: аденин (A), гванин (G)

Пурините имаат двојна прстенеста структура. Пиримидини се: цитозин (C), тимин (T) – присутен во DNA, урацил (U) – присутен во RNA.

Пиримидините имаат едноставна прстенеста структура.

2. Пентозен шеќер

Шеќерот во нуклеотидите е пентоза. Постојат два типа:

• Деоксирибоза – во DNA
• Рибоза – во RNA

Разликата е во втората позиција на јаглеродниот атом: DNA има H, RNA има OH

Фосфатна група

Фосфатната група ја поврзува шеќерната компонента на нуклеотидите и создава фосфодиестерски врски. Овие врски го формираат шеќер-фосфатниот скелет на молекулата.

Нуклеозиди и нуклеотиди

Важно е да се разликуваат: Нуклеозид е база + шеќер. Нуклеотид е база + шеќер + фосфат

3. Структура на DNA

DNA е двоверижна молекула која има форма на двојна спирала (double helix). Оваа структура беше опишана во 1953 година од James Watson и Francis Crick. Основни карактеристики: 

DNA има: две антипаралелни полинуклеотидни вериги, ориентација 5' → 3', Комплементарност на базите. Азотните бази се поврзуваат со водородни врски.

Правило на комплементарност:

• A – T (2 водородни врски)
• G – C (3 водородни врски)

Ова правило се нарекува Чаргафово правило

Голем и мал жлеб

Во структурата на DNA постојат: голем и мал жлеб. Овие региони се важни за: врзување на регулаторни протеини, регулација на генската експресија.

4. Организација на DNA во клетката

Кај човекот DNA е организирана во: хромозоми. DNA е поврзана со протеини наречени хистони. Се формира хроматинска структура нуклеозом. Основна единица на хроматинот е нуклеозом. Состав: DNA намотана околу хистонски октамер

5. Типови на RNA

RNA е обично едноверижна молекула. Постојат неколку видови RNA.

1. mRNA (информативна RNA)

Функција: пренесува генетска информација од DNA до рибозомите

 Процес: транскрипција

2. tRNA (транспортна RNA)

Функција: пренесува аминокиселини до рибозомите

Има карактеристична клевереста структура.

Содржи: антикодон

3. rRNA (рибозомска RNA)

Функција: составен дел на рибозомите. Учествува во синтеза на протеини

Други RNA молекули:

Современата генетика идентификува и други видови:

• miRNA (microRNA) – регулација на генска експресија
• siRNA – генска тишина
• snRNA – процесирање на mRNA

6. Функции на нуклеинските киселини

Нуклеинските киселини имаат неколку фундаментални функции.

1. Складирање на генетска информација: DNA ја содржи целата генетска програма на организмот. Кај човекот геномот има околу 3 милијарди базни парови.

2. Пренос на генетска информација При клеточна делба: DNA репликација обезбедува точен пренос на генетската информација.

3. Синтеза на протеини Информацијата во DNA се реализира преку: централната догма на молекуларната биологија DNA → RNA → протеин

4. Регулација на генската експресија RNA молекулите учествуваат во: контролирање на транскрипцијата, стабилност на mRNA, посттранскрипциона регулација

7. Репликација на DNA

DNA репликацијата е процес на удвојување на генетскиот материјал. Се случува во S фаза на клеточниот циклус. Главни ензими: DNA полимераза, хеликаза, примаза, лигаза. Репликацијата е: полуконзервативна. Секој нов молекул има: една стара нишка и една нова нишка. 

8. Клиничко значење во хуманата генетика

Нарушувањата во структурата или функцијата на нуклеинските киселини можат да доведат до: генетски мутации, хромозомски аберации, наследни заболувања.

Примери: цистична фиброза, мускулна дистрофија, таласемија.

Заклучок

Нуклеинските киселини се фундаментални молекули во биологијата и хуманата генетика. Тие: ја складираат генетската информација, ја пренесуваат при клеточна делба, ја реализираат преку синтеза на протеини. Разбирањето на нивната структура, градба и функции е основа за изучување на: молекуларна генетика, генетски заболувања, современи геномски технологии.

ХУМАНИ ХРОМОЗОМИ – ГРАДБА, ФУНКЦИЈА И КЛАСИФИКАЦИЈА

1. Што се хромозоми?

Хромозомите се структури во клеточното јадро кои го содржат генетскиот материјал (ДНК) и обезбедуваат негово правилно пренесување од една клетка во друга при клеточната делба. Тие се составени од ДНК и протеини (главно хистони) и претставуваат носители на гените.

Во човечкиот организам хромозомите ја носат целокупната наследна информација што го одредува:

• растот и развојот,
• морфолошките карактеристики,
• функциите на органите,
• биохемиските процеси,
• наследните болести и предиспозиции.

2. Број на хромозоми кај човекот

Човекот има 46 хромозоми, односно:

• 23 пара во секоја соматска клетка (диплоиден број: 2n = 46)
• 22 пара автозоми
• 1 пар полови хромозоми (X и Y)

Полови хромозоми

• Жените имаат 46,XX
• Мажите имаат 46,XY

Во половите клетки (гамети – сперматозоиди и јајце-клетки) бројот на хромозоми е 23 (хаплоиден број: n = 23).

3. Основна градба на хромозомот

Хромозомот најјасно се гледа во фазата метафаза од митоза, кога е максимално кондензиран.

Хромозомот е составен од:

• две сестрински хроматиди
• центромер
• теломери
• краци (p и q)
• кинетохор
• хроматин (ДНК + протеини)

4. Хроматин и пакување на ДНК

ДНК во клетката е многу долга, па мора да биде организирана во компактна форма. Затоа се комбинира со протеини и формира хроматин. Хроматинот постои во две форми:

Еухроматин - „лабаво“ пакуван, генетски активен, тука најчесто се транскрибираат гени

Хетерохроматин - силно кондензиран, генетски помалку активен или неактивен. Често се наоѓа околу центромерот и теломерите

5. Хроматида

Хроматида е една од двете идентични копии на хромозомот кои настануваат по репликација на ДНК (во S-фаза од клеточниот циклус). Во метафаза секој хромозом има две сестрински хроматиди. Тие се поврзани во пределот на центромерот. Во анафаза хроматидите се раздвојуваат и стануваат самостојни хромозоми.

6. Центромер

Центромерот е стеснет дел од хромозомот каде што двете сестрински хроматиди се најсилно поврзани. Функции на центромерот:

• обезбедува правилно прицврстување на хромозомите за делбеното вретено
• овозможува правилна распределба на хромозомите во двете ќерки клетки

ја дели хромозомската структура на:

краток крак (p) (petit)

долг крак (q)

Центромерот содржи специфични повторувачки ДНК секвенци (сателитска ДНК).

7. Кинетохор

Кинетохорот е протеински комплекс кој се формира на површината на центромерот и претставува „приклучна точка“ за микротубулите од делбеното вретено. Главна функција на кинетохорот:

• прикачување на хромозомот за микротубулите
• движење на хромозомите кон половите на клетката
• контрола на правилното разделување (спречување на анеуплоидии)

Кинетохорот е клучен за точна митоза и мејоза.

8. Теломери

Теломерите се крајните делови на хромозомите, составени од повторувачки ДНК секвенци (кај човекот најчесто TTAGGG). Улога на теломерите:

• ја штитат ДНК од деградација
• спречуваат слепување на хромозомите
• имаат улога во стареење и канцерогенеза

Со секоја клеточна делба теломерите се скратуваат (освен во клетки со активна теломераза, како герминативни и канцер клетки).

9. Хромонема

Хромонемата е тенка нишка во составот на хроматидата, која претставува „основна влакнеста структура“ од која е изграден хромозомот. Хромонемата е:

• составена од ДНК и протеини
• во интерфаза е релативно „развиена“
• при делба се кондензира во видлив хромозом

10. Краци на хромозомот

Секој хромозом има:

p крак (краток)

q крак (долг)

Односот помеѓу p и q рамо е основа за класификација според положбата на центромерот.

11. Класификација на хромозоми според положбата на центромерот

Хромозомите се делат на:

1. Метацентрични - центромерот е во средина. p и q краците се речиси еднакви.

2. Субметацентрични - центромерот е малку поместен. p кракот е пократок од q

3. Акроцентрични - центромерот е блиску до крајот. p кракот е многу краток. Често имаат сателити. 

Кај човекот нема телоцентрични хромозоми (каде центромерот е на самиот крај).

12. Сателити и секундарни стеснувања

Некои акроцентрични хромозоми имаат мал дел наречен сателит, одделен со секундарно стеснување. Овие делови содржат NOR региони (nucleolar organizer regions) кои кодираат рРНК и учествуваат во формирање на јадренце.

13. Хуман кариотип

Кариотип е целокупниот хромозомски состав на една индивидуа, опишан според: број, големина, форма, положба на центромер, карактеристични траки.

Пример за кариотип

• 46,XX (женски нормален)
• 46,XY (машки нормален)
• 47,XX,+21 (Даун синдром)
• 45,X (Тернер синдром)

Кариотипот е генетска „лична карта“ на клетката.

14. Кариограм

Кариограм е фотографски или дигитален приказ на сите хромозоми во метафаза, подредени по парови и по големина. Во кариограм хромозомите се групираат:

• по големина (од најголеми кон најмали)
• по позиција на центромерот
• по карактеристични пруги (G-banding)

Кариограмот се добива во лабораторија со цитогенетски методи.

15. Идиограм

Идиограм е шематски (цртежен) приказ на хромозомите, каде што се прикажани: должината, положбата на центромерот, пругите, региони и подрегиони.

Идиограмот е стандарден модел што се користи за:

• споредување на хромозомите
• означување на генски локации
• цитогенетски анализи

На пример, кога се кажува „7q31“, тоа значи:

• хромозом 7
• долго крак (q)
• регион 3
• трака 1

16. Групна класификација на хуманите хромозоми (A–G групи)

Човечките хромозоми се поделени во 7 групи според големина и центромерска позиција:

Група A (хромозоми 1–3) најголеми хромозоми, метацентрични и субметацентрични. Содржат голем број гени.

Група B (хромозоми 4–5) големи, субметацентрични.

Група C (хромозоми 6–12 + X) средно големи, субметацентрични, X хромозомот припаѓа тука.

Група D (хромозоми 13–15) средно големи, акроцентрични, имаат сателити (NOR региони).

Група E (хромозоми 16–18) релативно мали, 16 е метацентричен, 17 и 18 субметацентрични.

Група F (хромозоми 19–20) мали, метацентрични.

Група G (хромозоми 21–22 + Y) најмали, акроцентрични, 21 и 22 имаат сателити. Y е акроцентричен, но нема значајни сателити.

17. Функции на хромозомите

Хромозомите имаат неколку основни функции:

1. Носители на наследната информација - Гените се распоредени долж хромозомите.

2. Контрола на клеточниот метаболизам - Преку генска експресија се синтетизираат протеини и ензими.

3. Репликација и пренос на ДНК - Во клеточната делба, хромозомите мора точно да се удвојат и распределат.

4. Обезбедување генетска стабилност - Преку центромер, кинетохор и теломери се спречува неправилна поделба.

5. Генетска варијабилност 

Во мејоза се случуваат:

• кросинговер
• рекомбинација
• независна распределба

18. Значење на кариотипизацијата

Кариотипизацијата се користи за дијагностика на:

• Даун синдром (трисомија 21)
• Едвардс синдром (трисомија 18)
• Патау синдром (трисомија 13)
• Тарнер синдром (45,X)
• Клинефелтер синдром (47,XXY)
• структурни абнормалности (делеции, дупликации, транслокации)

19. Заклучок

Хуманите хромозоми претставуваат високо организирани структури составени од ДНК и протеини, кои ја носат и регулираат наследната информација. Нивната градба (центромер, кинетохор, хроматида, хромонема и теломери) е директно поврзана со нивната улога во клеточната делба и стабилноста на геномот. Класификацијата по групи (A–G) и методите како кариотип, кариограм и идиограм се основа за цитогенетиката и дијагностика на бројни хромозомски нарушувања.