Genetisk information – glossariumBITri

1. Livsformer og deres genetiske information

Generelt kan celler bestemmes som den mindste enhed af liv, gennem deres evne til at generere, duplikere og behandle information. En celle indeholder forskellige dele, som har en bestemt funktion og proces, der gør cellen til en maskine, der kan reagere på sit miljø og ydre påvirkninger . Evnen til at modtage, behandle og skabe information gennem kopiering, som i oversættelse/transskription, gør cellen til et fuldt uafhængigt system og dermed til en selvstændig livsform.

Cellerne kan opdeles i to forskellige typer. Den ene er den enkleste og mest grundlæggende opfattelse af en cellestruktur. Den anvendes af bakterier og arkæer, som tidligere var de eneste livsformer på jorden, indtil mere udviklede celler kom til gennem evolutionsprocessen. Disse celler kaldes prokaryote celler, mens de andre er de eukaryote celler, som arver en mere kompleks cellestruktur. Den største forskel mellem disse to celletyper er strukturen og formen for informationslagring. Den prokaryote celleinformation, i biologiske termer kaldet DNA, er lagret i form af en foldet struktur, som svæver gennem cellen i tætte superviklede strenge. Den eukaryote celle har derimod en kerne, kaldet kernen, hvor DNA’et lagres med henblik på videre brug. DNA’et er viklet rundt om proteiner, kaldet histoner. Kernens struktur er punkteret, så visse fragmenter kan forlade kernen gennem huller i kerneembranen.

2. DNA- struktur og funktionalitet

DNA eren kort betegnelse for desoxyribonukleinsyre. DNA beskriver strukturen af den genetiske information, som er baseret på et polynucleotid. Et polynucleotid beskriver en lang streng af nukleotider, der er den samme i alle levende celler, ineukaryoter såvel som prokaryoter. Hvert nukleotid er baseret på en af fire nukleobaser: Adenin, cytosin, thymin og guanin. To baser er komplementære til hinanden, adenin til thymin og guanin til cytosin, og der kan dannes en bestemt struktur af sekvenserne af de komplementære nukleobaser. Selve nukleotidet består af et fosfatemolekyle, et sukkermolekyle og en nukleobase. De forskellige nukleobaser er forbundet med en stærk brintbinding, som giver DNA’et en vis fleksibilitet, samtidig med at den fastlagte rækkefølge af nukleobaser bibeholdes. I cellekernen er DNA’et tilgængeligt i form af en dobbeltspiral for at optage mindre plads, når det er viklet op i en tæt kugle i midten af kernen (Lara, 2009). Ifølge Lara kan hvert nukleotid etablere en “head-tail association med et hvilket som helst andet nukleotid” ved deres 5` og3´ende. Det betyder, at hvert nukleotid har en defineret struktur med to forskellige ender til at interagere og forbinde sig med andre nukleotider. Dette fænomen definerer DNA-sekvensen, som er afgørende for livsformernes vækst og udvikling.

DNA-sekvensen blev først krypteret af forskerne James Dewey Watson og Francis Crick. Med deres opdagelse af DNA-sekvensen, også kaldet “universalitet af den genetiske kode”, skiftede fokus fra kemien bag DNA’et til DNA-kodningen gennem nukleobaser og den molekylære struktur af information i en celle (Lyre, 2002).

DNA’s sekvens bruges til at lagre information om opbygningen af proteiner og andre driftsfunktioner i cellen. Gennem Transkription ogTranslation kan denne information reproduceres og læses for at konstruere nyeproteiner i cellen.

3. Proces for replikation af information i biologi

Celler har evnen til at reproducere proteiner gennem Translation, for at støtte cellens overlevelse på lang sigt. Proteiner er baseret på aminosyrer, og hvert protein er kendetegnet ved sin anvendelse og funktion. Selve cellen er opdelt i to forskellige dele. Cytoplasmaet omgiver alle dele af cellens indre, og disse dele kan svæve frit gennem cellevæggenes indeslutning. Kernen er derimod en afrundet form og indeholder cellens DNA samt det udstyr, der forvalter denne lagrede information. Selv aktivering og blokering af visse nukleotidsekvenser kan opnås med denne form for udstyr (Lara, 2009: 3). De to dele, kernen og cytoplasmaet, er adskilt af kernehindekuverten, som opdeler de forskellige stadier af informationsstrømmen i cellen fysisk. Ifølge Lyre (2003: 91) består informationsbehandlingen af to forskellige stadier, nemlig transskription og oversættelse. Desuden kan DNA’et replikeres for at matche behovet for celledeling gennem vækst.

1. Transskription:

Transskriptionsprocessen beskriver den handling, der består i at kopiere en DNA-sekvens til en mere mobil informationsform. Denne form kaldes mRNA, som står for messenger ribonucleicacid. Det repræsenterer halvdelen af den nødvendige del af den oprindelige nukleotid-helixstruktur.

Når messenger-RNA’et er fuldt udviklet, rejser det gennem huller i kernevæggen og kommer ind i det næste stadium af informationsbehandling, cytoplasmaet.

2. Oversættelse:

I cytoplasmaet finder detnæste trin i behandlingen af celleinformation sted, kaldet translationsprocessen. Det mRNA svæver nu frit i cytoplasmaet, og et protein, kaldet ribosomet, knytter sig til mRNA’et og begynder at tilføje et tRNA til det første codon i mRNA’et. Der findes forskellige tRNA’er, som passer til de forskellige sekvenser af nukleobaser, der er knyttet til mRNA-strukturen. Ved at aflæse sekvensen af nukleobaser opbygges en aminosyre, og der udvikles et protein (bioadmin, 2013). Dette protein vandrer gennem cytoplasmaet og bygges ind i cellenettet, som adskiller cellens indre fra den ydre verden. Når proteinet er placeret inde i nettet, kan det begynde at udføre forskellige funktioner.

3. Replikation:

Den handling at replikere DNA’et er nødvendig, når cellen når en vis størrelse. DNA replikeres for at give en ny celle et sæt oplysninger til at producere proteiner og fungere på en korrekt måde. Først adskilles DNA-dobbeltspiralen, og de adskilte komplementære nukleobaser matches igen med deres modstykker for at opretholde det samme sæt sekvenser og dermed den genetiske information, der er givet gennem den oprindelige celle-DNA.

4. DNA’s lagringskapacitet

En aminosyre er baseret på et kodon, som indeholder tre nukleobaser. Hvis vi tager i betragtning, at der er fire forskellige muligheder for at udfylde disse tre pladser i et kodon, kan vi bestemme kompleksiteten af et kodon. Konfigurationsmulighederne for et tripletkodon er 64 forskellige kodoner. Hvis vi tager en DNA-streng, der består af 100 kodoner, har vi alternativer i sekvenser. Det gennemsnitlige antal nukleotider i DNA’et i en simpel livsform, f.eks. Escherichia coli, er N=. Det betyder, at hvis vi beregner, at der er alternative sekvenser, så betyder det (Lyre, 2002, s. 94). Denne lagerkapacitet ligger uden for vores egen fantasis rækkevidde. Selv for de enkleste livsformer her på jorden er de lagrede oplysninger om processer og stoffer for komplekse til, at de kan forstås.

5. Semantik af proteinproduktion og DNA’s funktionalitet

Definitionen af semantik er “studiet af betydninger i sprog” (Cambridge, 2014)som kan anvendes på celler som sproget i DNA-kodning og informationsstrømmen i cellulær interaktion. Som tidligere nævnt lagres den genetiske information i en celles DNA gennem kodning af nukleotider og kodoner. Informationens betydning for cellen er afkodningen af denne bestemte sekvens af nukleotider for at generere aminosyrer og producere proteiner, der er afgørende for cellens egen overlevelse. Disse proteiner har en klart fastlagt funktion i cellevævet til udveksling af næringsstoffer eller til opretholdelse af cellestrukturen. Selve cellens semantik er baseret på den funktionalitet, der ligger i afkodningen af nukleotidsekvensen. En kode er kun nyttig, når den fastsatte funktionalitet for proteinet er givet efter syntesen, og proteinet fungerer på den måde, som det var designet til. Lara anfører i sin artikel, at der findes eksterne regulatorer, der “mediterer aktivering eller ikke-aktivering af specifikke dele,som også kan reguleres af agenter uden for proteinet” (Lara, s. 3). Problemet inden for denne tese er kompleksiteten i relationerne mellem den information, der er lagret i DNA’et, og dens virkning på proteinerne. Allerede eksisterende proteiner gør det muligt for DNA’et at oversætte den nødvendige information og opbygge proteinerne senere i processen.Informationsstrømmen må derfor beskrives som tovejs, og derfor kan hverken DNA’et eller proteinerne betragtes som afsendere af det indledende signal om oversættelse af DNA-stykker (Lyre, 2002).

6. Signaler til DNA-transskription og informationsstrøm

En af de faktorer, der har indflydelse på behandlingen og lagringen af biologisk information, er nukleoidsekvensen. Men udover det kan andrestrukturelle egenskaber ved DNA’et vurderes som lagringskodning. Denelektroniske konfiguration i dele af DNA-molekylerne eller den topologiske,topologi står for “studiet af de egenskaber ved geometriske former, der forbliver invariante under visse transformationer, som bøjning eller strækning” (dictionary.com, 2017), egenskaber vedDNA i dets tredimensionelle struktur (Lyre, 2002, s. 99). Disse funktionelle egenskaber ved DNA-strukturen kan påvirke lagringskapaciteten og måden, hvorpå informationskodning incell-DNA i forskellige livsformer kan ske. Et fænomen, der kaldes “junk-DNA”, kan også være en forværring af disse egenskaber gennem sin gentagelse i det generelle DNA.Inde i selve cellen er der også faktorer. Reguleringsmolekyler, enzymer og strukturelle proteiner, som påvirker den biologiske celleinformation på en bestemt måde. Visse gener udtrykkes på en bestemt måde for at bestemme strukturen af de dyrkede proteiner. I transkriptionsprocessen kan de tidligere nævnte strukturelle proteiner aktivere eller deaktivere visse genudtryk for at ændre den samlede proteinsammensætning. proteinstrukturen ændres ved at bruge den samme del af DNA’et gennem transkription, men ved at ændre genernes udtryk.

Som intracellulære faktorer bestemmer de ekstracellulære faktorer også informationsbehandlingen. Disse kan skelnes i to separate dele. På den ene side er der molekyler, som på grund af deres lille struktur kan rejse gennem cellemembranen og hæfte sig til særlige kernereceptorer og ændre processen for DNA-oversættelse og syntesen af RNAtil oversættelsesprocessen senere. På den modsatte side er der den påvirkningsfaktor af ladning, der tilføjes af eksterne molekyler, som kan ændre proteinmolekylets tredimensionelle struktur og dermed dets funktionalitet for cellen (Lyre, 2002, s. 100). En isoleret celle kan kaldes en selvreguleret informationsstrøm og dermed en uafhængig behandlingsmaskine for information, der sendes af cellen selv (Lara, s. 9).

7. Påvirkningsfaktorer for informationskodning

Med hensyn til Lyres forklaring blev handlingen med at behandle information udviklet gennem begrebet evolution gennem flere milliarder år. Ellers ville der ifølge Lyre ikke være nogen mening for cellerne at udvikle en cellestruktur, hvis ikke gennem ændring af informationen i DNA og kodning af information i form af deres celle-DNA til proteinsyntese (Lyre, 2002, s. 103). Begrebet evolution kan beskrives som hovedkraften bag det DNA-system, som alle komplekse levende væsener er baseret på. Miljøet og de faktorer, der indgår i dette komplekse system af sameksisterende livsformer og interaktioner, er drivkraften bag udviklingen af den biologiske information, der er indeholdt i en levende celle. Det bestemmer “at en ny celle diakronisk rekonstruerer de strukturer, der understøtter det enkelte levende væsens fænotype” (Díaz, 2017, s. 6). Som Diaz beskrev, er udviklingen af genetisk information bestemt af det miljø, som et levende væseninteragerer i, og derfor ændrer den biologiske information over en lang tidsperiode for at justere det enkelte væsens fænotype. Han beskriver det som det “substrat, hvorpå nye determineringer i morfogeneseprocessen finder sted epigenetisk” (Díaz, 2017, s. 6) . Også livsformers neurale kapacitet kan være forskellig til at behandle given information. For eksempel kan et menneske behandle mere og vanskeligere information eller processer som en anden livsform, der kan have mere neuronal kapacitet ved sin biologiske information, men hjernestrukturen og de neuronale forbindelser kan ikke muliggøre den fulde kapacitet til kompleks tænkning.

Livsudviklingen er bestemt af de instruktioner, der ligger i genomerne, og eksterne faktorer baseret på miljøet. På grund af dette udsagn er det ikke overraskende, at livet på jorden, som det er i dag, er formet af den kontinuerlige ændring af biologisk information, der stammer fra bakterier og har udviklet sig til fænotyper af alle forskellige former for levende væsener over en periode på milliarder af år.

Assignale modtagere af de ydre påvirkningsfaktorer, nervesystemet og muskler/organer. Musklerne/organerne kan bestemmes som operationelle enheder, der interagerer med miljøet og ændrer sig som følge af tilpasning til de miljømæssige udfordringer, som de står over for på grund af forskellige klimaer og levesteder. Nervesystemet på den anden side sikrer den korrekte funktion og koordinering af de operationelle enheder og kan bestemmes som en slags metasystem, der behandler information og giver respons på eksterne signaler gennem de operationelle enheder (Díaz, 2017, s. 6-9).

8. Optagelse af DNA-evolution til Darwin og udviklingsvidenskab

Charles Darwin står for det oprindelige koncept om evolution, der anvender begrebet “survival of the fittest”. Det siger, at kun de stærkeste og mest tilpassede individer af en art kan overleve det miljø, de lever i, og videreføre deres genetiske pulje, eller biologiske information, til den næste generation, mens de andre individer dør på grund af deres manglende tilpasning til miljøet. Nutidens biologiske videnskabsmænd definerer evolutionen som en “summen af individer, der er i stand til at generere en arvemasse, som kan reproducere sig selv” (Lyre, 2002, s. 108). Men i en art findes der “ikke to individer” med den samme genetiske information på grund af tilfældige mutationer i genpuljen og rekombination i reproduktionsprocessen. Ved denne form for variation af den genetiske information hos individer af en art varieres i et kaotisk system og er ikke bestemt af en plan eller et fast mønster. Det er netop sammenfaldet af randommutationer i sekvensen af nukleobaser, og dermed kodoner, der kan beskrives som den drivende faktor bag ændringen af biologisk information. De bedst egnede og mest tilpassede individer kan på grund af mutationen over flere generationer overleve bedre end dem, der ikke har denne særlige egenskab. (Lyre, 2002, pp. 109-115)

9. Evolution af biologisk information

Oprindelsen af en cellestruktur kan beskrives som en tilfældighed. Strenge af aminosyrer og nukleotider flød rundt i urtidssuppen for milliarder af år siden. Ved en slags tilfældighed begyndte disse strenge at organisere sig og opbygge netværk, der kunne behandle given information, f.eks. fra omgivelserne eller andre celler, og reagere i overensstemmelse hermed. Disse netværk er cirkelformede for at sikre hele forarbejdningen af information fra eksterne kilder. Det betyder, at alle biologiske livsformer udviklede sig ud fra ét specifikt sæt biologisk information og derfor nedstammer fra én arketype, som udviklede sig ved et tilfælde. Dette kan også ses i de forskellige arters udviklingsstadier af embryoner efter ægbefrugtning. Embryoerne ligner hinanden i de tidlige stadier, men udvikler deres særlige egenskaber for deres art over tid, indtil de er helt forskellige i form og evner.