3.3 Kjarninn og DNA-eftirmyndun
3.3 Kjarninn og DNA-eftirmyndun
Námsmarkmið
Að loknum þessum hluta áttu að geta:
- lýst byggingu og einkennum kjarnahimnunnar
- talið upp innihald kjarnans
- útskýrt hvernig DNA-sameindinni er skipað innan kjarnans
- lýst ferli DNA-eftirmyndunar
Kjarninn er stærsta og mest áberandi frumulíffæri frumunnar (Mynd 3.19). Almennt er litið á kjarnann sem stjórnstöð frumunnar vegna þess að þar eru geymdar allar erfðafræðilegar leiðbeiningar um próteinmyndun. Athyglisvert er að sumar frumur líkamans, svo sem vöðvafrumur, hafa fleiri en einn kjarna (Mynd 3.20) og eru því fjölkjarna. Aðrar frumur, svo sem rauð blóðkorn spendýra (RBCs), hafa alls engan kjarna. RBCs losa sig við kjarnann þegar þau þroskast og rýma þannig fyrir þeim mikla fjölda blóðrauðasameinda sem flytja súrefni um líkamann (Mynd 3.21). Án kjarna er líftími RBCs stuttur og því verður líkaminn stöðugt að framleiða ný rauð blóðkorn.
Inni í kjarnanum er forskriftin sem segir fyrir um allt sem fruman gerir og allar afurðir sem hún myndar. Þessar upplýsingar eru geymdar í DNA. Kjarninn sendir frumunni „fyrirmæli“ með sameindaboðberum sem miðla upplýsingunum úr DNA. Hver fruma líkamans, að kímfrumum undanskildum, inniheldur allt DNA-safnið þitt. Þegar fruma skiptir sér þarf að tvöfalda DNA svo að hver ný fruma fái fullkomið DNA-safn. Í næsta hluta verður farið yfir byggingu kjarnans og innihald hans, auk ferlis DNA-eftirmyndunar.
Skipulag kjarnans og DNA hans
Líkt og flest önnur frumulíffæri er kjarninn umlukinn himnu sem nefnist kjarnahjúpur. Hann samanstendur af tveimur aðliggjandi lípíðtvílögum með þunnu vökvarými á milli. Kjarnaop liggja í gegnum tvílögin tvö. Kjarnaop er örsmátt op sem prótein, RNA og uppleyst efni fara um milli kjarnans og umfrymisins. Prótein sem nefnast kjarnaopafléttur liggja í kjarnaopunum og stjórna flutningi efna inn og út úr kjarnanum.
Innan kjarnahjúpsins er hlaupkennt kjarnafrymi með uppleystum efnum, þar á meðal byggingareiningum kjarnsýra. Þar getur einnig verið dökkleitur massi sem sést oft í einfaldri ljóssmásjá og nefnist kjarnakorn (fleirtala = kjarnakorn). Kjarnakornið er það svæði kjarnans sem myndar RNA-ið sem þarf til að setja saman ríbósóm. Eftir að þær hafa verið myndaðar fara nýjar undireiningar ríbósóma út úr kjarnanum um kjarnaopin.
Erfðafræðilegu leiðbeiningunum sem stýra byggingu lífveru og viðhaldi hennar er raðað skipulega í DNA-þræði. Í kjarnanum eru þræðir úr litni sem samanstendur af DNA og tengdum próteinum (Mynd 3.22). Í litnisþráðunum er DNA vafið utan um hópa histón próteina. Ein litnisögn er stakur vafinn DNA-histónflóki. Margar litnisagnir eftir allri DNA-sameindinni minna á perlufesti, þar sem DNA er bandið en tengdu histónaflókarnir perlurnar. Þegar fruma er að skipta sér þéttist litnið í litninga svo hægt sé að flytja DNA örugglega til „dótturfrumnanna“. Litningur er gerður úr DNA og próteinum og er þétt form litnis. Talið er að í mönnum séu næstum 22,000 gen á 46 litningum.
DNA-eftirmyndun
Til að lífvera geti vaxið, þroskast og viðhaldið heilbrigði sínu þurfa frumur að fjölga sér með skiptingu og mynda tvær nýjar dótturfrumur sem hvor um sig hefur allt DNA-safnið sem var í upprunalegu frumunni. Milljarðar nýrra frumna myndast daglega í fullorðnum manni. Aðeins örfáar frumugerðir líkamans skipta sér ekki, þar á meðal taugafrumur, beinagrindarvöðvaþræðir og hjartavöðvafrumur. Mismunandi er hve langan tíma skipting ólíkra frumugerða tekur. Þekjufrumur húðarinnar og slímhúðar meltingarvegarins skipta sér til dæmis mjög ört til að koma í stað frumna sem stöðugt nuddast af yfirborðinu.
DNA-sameind er gerð úr tveimur þráðum sem eru „samstæðir“ í þeim skilningi að sameindirnar sem mynda þræðina passa saman og bindast hver annarri. Þannig myndast tvíþátta sameind sem líkist löngum, snúnum stiga. Þessi tvöfaldi gormur getur auðveldlega myndast vegna þess að þræðirnir tveir eru andsamsíða, það er þeir liggja í gagnstæðar áttir. Hvor hlið DNA-stigans er gerð úr sykur- og fosfathópum sem skiptast á (Mynd 3.23). Hliðar stigans eru ekki eins heldur samstæðar. Burðargrindurnar tvær tengjast hvor annarri með útstæðum basapörum og hvert tengt par myndar eitt „þrep“, eða þverbita. Basarnir fjórir í DNA eru adenín (A), týmín (T), cýtósín (C) og gúanín (G). Vegna lögunar sinnar og hleðslu bindast tilteknir tveir basar alltaf saman í pari. Adenín binst alltaf týmíni og cýtósín binst alltaf gúaníni. Tiltekin röð basanna eftir DNA-sameindinni ákvarðar erfðakóðann. Ef samstæðu DNA-þræðirnir tveir væru aðskildir mætti því ráða basaröð annars þráðarins af basaröð hins samstæða þráðarins. Ef á einum þræði væri til dæmis svæði með röðinni AGTGCCT væri röðin á samstæða þræðinum TCACGGA.
DNA-eftirmyndun er afritun DNA sem verður að fara fram áður en fruma getur skipt sér. Eftir miklar umræður og tilraunir ákvörðuðu tveir vísindamenn í Kaliforníu, Matthew Meselson og Franklin Stahl, árið 1958 hvernig DNA-eftirmyndun fer almennt fram. Aðferðin er sýnd á Mynd 3.24 og henni lýst hér á eftir.
Stig 1: Upphaf. Samstæðu þræðirnir tveir eru aðskildir, líkt og þegar rennilás er rennt í sundur. Sérhæfð ensím, þar á meðal helíkasi, vinda ofan af DNA-þráðunum tveimur og aðskilja þá.
Stig 2: Lenging. Hvor þráður verður að móti sem nýr samstæður þráður er byggður eftir. DNA-pólýmerasi bætir við réttum bösum sem parast við mótþráðinn og myndar þannig nýjan þráð, basa fyrir basa. DNA-pólýmerasi er ensím sem bætir frjálsum kirnum við enda DNA-keðju og myndar nýja tvíþátta DNA-sameind. Vaxandi þráðurinn lengist þar til hann er orðinn fullkomlega samstæður mótþræðinum.
Stig 3: Lok. Þegar upprunalegu þræðirnir tveir hafa hvor um sig bundist fullgerðum samstæðum þræði lýkur DNA-eftirmynduninni og tvær nýjar, eins DNA-sameindir eru fullgerðar.
Hver ný DNA-sameind inniheldur einn þráð úr upprunalegu sameindinni og einn nýmyndaðan þráð. Þessi gerð eftirmyndunar nefnist „hálfvarðveitin“ vegna þess að helmingur upprunalegu DNA-sameindarinnar varðveitist í hvorri nýrri DNA-sameind. Ferlið heldur áfram þar til allt erfðamengi frumunnar, það er allt DNA-safn lífverunnar, hefur verið eftirmyndað. Eins og nærri má geta er mjög mikilvægt að DNA-eftirmyndun sé nákvæm svo að nýjar frumur líkamans innihaldi nákvæmlega sama erfðaefni og móðurfrumur þeirra. Mistök við DNA-eftirmyndun, svo sem þegar röngu kirni er bætt við fyrir slysni, geta gert gen óvirkt eða ónothæft. Sem betur fer eru til ferli sem draga úr slíkum mistökum. Við prófarkalestur DNA leita sérhæfð ensím að villum í nýmynduðu sameindinni og leiðrétta þær. Þegar DNA-eftirmyndun er lokið er fruman tilbúin að skipta sér. Síðar í kaflanum verður fjallað um frumuskiptingu.