Основи на биологията: клетки, ДНК, митоза, мейоза и CRISPR - пълно ръководство за живота
По-задълбоченото изучаване на биологията може да накара човек да види себе си като едно изключително сложно същество. Това "просветление" на човека относно собственото си тяло, разкрива противоположната страна на Вселенската перспектива за човека, а именно, че той е "просто една песъчинка" в космоса.
Макар и обективно погледнато това да е истина, човекът сам по себе си е една цяла, не по-малко сложна, Вселена, в която се случват феноменални процеси измежду големия брой клетки, които го изграждат. И така, биологията може да бъде ключът към разбирането на нашето място в кръговрата на живота, за важността на всеки един организъм, за оценяването на интелекта, присъстващ в нас самите, както и за изграждането на перспективата, че всички организми съществуват като едно неделимо цяло.
Химията - основата на биологията
Биологията е базирана на химичните елементи, тъй като техните взаимовръзки създават органичната и неорганичната материя, както и всички техни функции, които тя изучава.
Химичните елементи представляват различни видове атоми. Атомите могат да имат различен брой неутрони (изотопи) или различен брой електрони (йони).
Изотопите са тези атоми, чието ядро е изградено от еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Когато броят на неутроните не съответства на броя на протоните в ядрото, то тогава наричаме такъв атом "изотоп".
Различните видове елементи имат точно определен брой протони в ядрото си. Когато броят на неутроните е по-малък или по-голям от броя на протоните в ядрото, това наричаме изотоп на елемента.
Йоните са тези атоми, които имат по-малко или повече електрони отколкото протони в тях. Йоните могат да бъдат положително или отрицателно заредени. Ако броят на електроните е по-голям от броя на протоните на даден елемент, то тогава елементът е отрицателно зареден, тъй като отрицателно заредените частици (електроните) доминират над положително заредените частици (протоните).
По този начин елементите, в тяхната форма на йони, се свързват помежду си - отрицателно заредените йони се свързват с положително заредените йони.
Химичните елементи представляват различни видове атоми. Атомите могат да имат различен брой неутрони (изотопи) или различен брой електрони (йони).
Изотопите са тези атоми, чието ядро е изградено от еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Когато броят на неутроните не съответства на броя на протоните в ядрото, то тогава наричаме такъв атом "изотоп".
Различните видове елементи имат точно определен брой протони в ядрото си. Когато броят на неутроните е по-малък или по-голям от броя на протоните в ядрото, това наричаме изотоп на елемента.
Йоните са тези атоми, които имат по-малко или повече електрони отколкото протони в тях. Йоните могат да бъдат положително или отрицателно заредени. Ако броят на електроните е по-голям от броя на протоните на даден елемент, то тогава елементът е отрицателно зареден, тъй като отрицателно заредените частици (електроните) доминират над положително заредените частици (протоните).
По този начин елементите, в тяхната форма на йони, се свързват помежду си - отрицателно заредените йони се свързват с положително заредените йони.
Протоните имат положителен електричен заряд, докато електроните са с отрицателен. Следователно неутралните атоми са тези, които имат еднакъв брой протони и електрони, тъй като тогава зарядите между тях се балансират.
Името на неутроните идва поради причината, че са с неутрален заряд, с други думи, те нямат такъв. Елементите в периодичната (Менделеева) таблица са различни видове атоми, които изграждат материята около нас.
Колкото повече протони, неутрони и електрони има даден елемент, толкова по-голяма "маса" има той. Всеки един елемент от менделеевата таблица притежава номер, който символизира броя протони в ядрото му.
Различните елементи могат да се свързват, за да създадат молекули и съединения. Разликата между молекула и съединение се намира в това, че молекулата е изградена от два или повече атома, които могат да бъдат от един и същ или от различни елементи. Съединенията са молекули, изградени от атоми на различни химични елементи.
Името на неутроните идва поради причината, че са с неутрален заряд, с други думи, те нямат такъв. Елементите в периодичната (Менделеева) таблица са различни видове атоми, които изграждат материята около нас.
Колкото повече протони, неутрони и електрони има даден елемент, толкова по-голяма "маса" има той. Всеки един елемент от менделеевата таблица притежава номер, който символизира броя протони в ядрото му.
Различните елементи могат да се свързват, за да създадат молекули и съединения. Разликата между молекула и съединение се намира в това, че молекулата е изградена от два или повече атома, които могат да бъдат от един и същ или от различни елементи. Съединенията са молекули, изградени от атоми на различни химични елементи.
Най-малкият организъм
Клетката се смята за най-малкия жив организъм. Съществуват други много по-малки частици, отколкото самата клетка, но тя се смята за най-малката "жива" единица, тъй като може сама да изпълнява функциите за поддържането на собственото си съществуванe. Като например:
Съществуват два вида клетки - прокариотни и еукариотни. Основната разлика между тях е, че при прокариотните клетки (като например бактериите), генетичният материал, съдържащ се в ДНК, не се намира в отделно от цитоплазмата ядро. Той се намира в самата цитоплазма на клетката. Още една разлика, която разделя прокариотната клетка от еукариотната, е липсата на мембранно обособени органели (като ядро и митохондрии) в нея.
- преработване на вещества в използваема енергия
- отделяне на токсини
- предпазване от вируси и други функции присъщи за организмите.
Съществуват два вида клетки - прокариотни и еукариотни. Основната разлика между тях е, че при прокариотните клетки (като например бактериите), генетичният материал, съдържащ се в ДНК, не се намира в отделно от цитоплазмата ядро. Той се намира в самата цитоплазма на клетката. Още една разлика, която разделя прокариотната клетка от еукариотната, е липсата на мембранно обособени органели (като ядро и митохондрии) в нея.
Така, както тялото ни съдържа органи, извършващи определени функции необходими за поддържането на живота си, така и клетките съдържат органи, наречени органели, които свързват кислорода с хранителните вещества за да превърнат енергията от храната във форма, която може да бъде използвана за извършването на техните функции. Органелите могат да бъдат например митохондрите, които се намират в човешките клетки, или пък хлоропласти, които се откриват в растителните клетки.
Клетъчно делене
Клетките могат да се делят по два основни начина - митоза и мейоза.
Преди да започне процесът на делене, генетичният материал, съдържащ се в ДНК, се организира в по-компактна форма, наречена хромозоми. При човека този генетичен материал е разпределен в 46 хромозоми.
Може да си представите генетичния материал като библиотека, а хромозомите - като книгите в нея, които съдържат информация за различните характеристики на организма.
Всяка хромозома, след като ДНК се реплицира преди деленето, се състои от две идентични структури, наречени хроматиди. Всеки хроматид съдържа еднаква генетична информация. По време на клетъчното делене тези хроматиди се разделят, като всяка новообразувана клетка получава пълен набор от генетичен материал.
Преди да започне процесът на делене, генетичният материал, съдържащ се в ДНК, се организира в по-компактна форма, наречена хромозоми. При човека този генетичен материал е разпределен в 46 хромозоми.
Може да си представите генетичния материал като библиотека, а хромозомите - като книгите в нея, които съдържат информация за различните характеристики на организма.
Всяка хромозома, след като ДНК се реплицира преди деленето, се състои от две идентични структури, наречени хроматиди. Всеки хроматид съдържа еднаква генетична информация. По време на клетъчното делене тези хроматиди се разделят, като всяка новообразувана клетка получава пълен набор от генетичен материал.
В по-късен етап на клетъчното делене сестринските хроматиди се разделят и всяка от тях се превръща в самостоятелна хромозома.
Така при човека всяка новообразувана клетка получава 46 хромозоми - пълен набор от генетичен материал.
По този начин се извършва процесът на делене наречен "митоза", при който се създава идентично копие на клетката. Процесът на митоза е изключително важен за поддържането на живота на организмите. Например, ако клетките ви не бяха способни да създават идентични копия на себе си, то когато нараните кожата си, не бихте могли да възстановите нараненото място с нова.
При процеса на делене наречен "мейоза" клетките се репликират с непълен брой хромозоми. С други думи, при този процес се създават клетки само с половината генетичен материал на индивида - 23 хромозоми. Тези клетки се наричат "гамети".
Всеки пол притежава един-единствен вид такива клетки. При мъжете това са сперматозоидите, а при жените - яйцеклетките. Когато тези две клетки се обединят, всяка от тях, носеща половината генетичен материал на индивида, те се допълват и създават цял човешки генетичен материал от 46 хромозоми. Образуваната клетка от две гамети се нарича "зигота" - клетката, която сме били всички ние.
Така при човека всяка новообразувана клетка получава 46 хромозоми - пълен набор от генетичен материал.
По този начин се извършва процесът на делене наречен "митоза", при който се създава идентично копие на клетката. Процесът на митоза е изключително важен за поддържането на живота на организмите. Например, ако клетките ви не бяха способни да създават идентични копия на себе си, то когато нараните кожата си, не бихте могли да възстановите нараненото място с нова.
При процеса на делене наречен "мейоза" клетките се репликират с непълен брой хромозоми. С други думи, при този процес се създават клетки само с половината генетичен материал на индивида - 23 хромозоми. Тези клетки се наричат "гамети".
Всеки пол притежава един-единствен вид такива клетки. При мъжете това са сперматозоидите, а при жените - яйцеклетките. Когато тези две клетки се обединят, всяка от тях, носеща половината генетичен материал на индивида, те се допълват и създават цял човешки генетичен материал от 46 хромозоми. Образуваната клетка от две гамети се нарича "зигота" - клетката, която сме били всички ние.
ДНК
Генетичният материал, съдържащ се в ДНК спиралата, представлява различните взаимовръзки между четири нуклеотида.
Всеки един нуклеотид представлява молекула на азотна база. Тези нуклеотиди са Гуанин, Аденин, Тимин и Цитозин, познати като "А, Ц, Г и Т" буквите.
ДНК е изградена от две нишки с израстъчета, които представляват самите нуклеотиди. Двете нишки се свързват посредством нуклеоитидите си, като има определени правила, чрез които връзката се осъществява - гуанинът (G) винаги се свързва с цитозина (C), а аденинът (A) винаги се свързва с тимина (T).
Всеки един нуклеотид представлява молекула на азотна база. Тези нуклеотиди са Гуанин, Аденин, Тимин и Цитозин, познати като "А, Ц, Г и Т" буквите.
ДНК е изградена от две нишки с израстъчета, които представляват самите нуклеотиди. Двете нишки се свързват посредством нуклеоитидите си, като има определени правила, чрез които връзката се осъществява - гуанинът (G) винаги се свързва с цитозина (C), а аденинът (A) винаги се свързва с тимина (T).
Последователността на нуклеотидите дават инструкциите за създаването на всяка една част от тялото ви, както и за всички функции на клетките ви.
Различните комбинации в определени части на ДНК, определят и вашите външни характеристики - ръст, цвят на очите, цвят на косата, цвят на кожата и др., както и предпоставките ви към определени заболявания. Казано накратко - тази последователност създава вас.
Различните комбинации в определени части на ДНК, определят и вашите външни характеристики - ръст, цвят на очите, цвят на косата, цвят на кожата и др., както и предпоставките ви към определени заболявания. Казано накратко - тази последователност създава вас.
CRISPR
Някои бактерии успяват да се справят с вирусните натрапници. Тези бактерии, които оцелеят след вирусна инфекция, запазват част от генетичната последователност на вируса в своето ДНК.
Така бактериалната ДНК съдържа архив с генетични последователности на вирусите, с които е била в контакт. Този архив се нарича CRISPR.
Когато бактерията бъде нападната отново от вирус, тя използва този архив за да създаде РНК молекула, която носи генетичната последователност на вируса, който е влязъл в бактерията. РНК молекулата се предава на протеин наречен cas9 и служи като образец.
Cas9 използва РНК молекулата, носеща генетичната последователност и я сравнява с тази на вирусния натрапник. Ако генетичната последователност съвпада с тази на вируса, протеинът отрязва генетичната последователност от вирусната РНК и така бактерията се справя с негативните ефекти от нея.
Учените откриват, че за cas9 няма значение каква генетична последователност ще съдържа РНК молекулата, която използва като образец. Следователно е възможно инжектирането на РНК молекула, носеща генетичната последователност, отговаряща за някое генетично заболяване, заедно с протеина cas9.
По този начин cas9 търси съвпадение на тази генетична последователност в ДНК-то на клетките. Ако успее да открие 100% съвпадение, протеинът отрязва тази част от генетичният материал на клетката.
Когато клетката загуби част от генетичния си материал, тя търси начин да го възстанови. Ако в клетката присъства и ДНК, съдържаща правилната последователност на гените, която не носи генетичното заболяване, тя ще използва тази ДНК молекула, за да възстанови липсващата си част.
Резултатът е елиминиране на генетичното заболяване. Това се превръща и в един от най-големите пробиви в сферата на биологията.
За да промените каквато пожелаете последователност в човешкия геном, са ви необходими протеинът cas9, молекула РНК, носеща генетичната последователност, която искате да бъде заменена, и част от ДНК молекула, която съдържа генетичната последователност, с която искате да се замени отрязаната.
По този начин е възможнa промяна на целия човешки геном, а някои потенциални резултати от това откритие могат да доведат до евентуалното създаване на съвършени атлети, премахване на генетични заболявания, лекуване на вече налични такива, лекуване на рак, спин и други болести, забавяне на стареенето или неговото елиминиране.
Тези възможности все още са предмет на научни изследвания и са свързани с редица технически ограничения и етични въпроси.
Автор: Васил Стоянов
Така бактериалната ДНК съдържа архив с генетични последователности на вирусите, с които е била в контакт. Този архив се нарича CRISPR.
Когато бактерията бъде нападната отново от вирус, тя използва този архив за да създаде РНК молекула, която носи генетичната последователност на вируса, който е влязъл в бактерията. РНК молекулата се предава на протеин наречен cas9 и служи като образец.
Cas9 използва РНК молекулата, носеща генетичната последователност и я сравнява с тази на вирусния натрапник. Ако генетичната последователност съвпада с тази на вируса, протеинът отрязва генетичната последователност от вирусната РНК и така бактерията се справя с негативните ефекти от нея.
Учените откриват, че за cas9 няма значение каква генетична последователност ще съдържа РНК молекулата, която използва като образец. Следователно е възможно инжектирането на РНК молекула, носеща генетичната последователност, отговаряща за някое генетично заболяване, заедно с протеина cas9.
По този начин cas9 търси съвпадение на тази генетична последователност в ДНК-то на клетките. Ако успее да открие 100% съвпадение, протеинът отрязва тази част от генетичният материал на клетката.
Когато клетката загуби част от генетичния си материал, тя търси начин да го възстанови. Ако в клетката присъства и ДНК, съдържаща правилната последователност на гените, която не носи генетичното заболяване, тя ще използва тази ДНК молекула, за да възстанови липсващата си част.
Резултатът е елиминиране на генетичното заболяване. Това се превръща и в един от най-големите пробиви в сферата на биологията.
За да промените каквато пожелаете последователност в човешкия геном, са ви необходими протеинът cas9, молекула РНК, носеща генетичната последователност, която искате да бъде заменена, и част от ДНК молекула, която съдържа генетичната последователност, с която искате да се замени отрязаната.
По този начин е възможнa промяна на целия човешки геном, а някои потенциални резултати от това откритие могат да доведат до евентуалното създаване на съвършени атлети, премахване на генетични заболявания, лекуване на вече налични такива, лекуване на рак, спин и други болести, забавяне на стареенето или неговото елиминиране.
Тези възможности все още са предмет на научни изследвания и са свързани с редица технически ограничения и етични въпроси.
Автор: Васил Стоянов
