Genetische informatie – glossariumBITri

1. Levensvormen en hun genetische informatie

In het algemeen kunnen cellen worden aangemerkt als de minimumeenheid van leven, doordat zij informatie kunnen genereren, dupliceren en verwerken. Een cel bevat verschillende delen, die een bepaalde functie en een bepaald proces bezitten om van de cel een machine te maken die kan reageren op zijn omgeving en invloeden van buitenaf. Het vermogen om informatie te ontvangen, te verwerken en te creëren door duplicatie, zoals in Vertaling/Transcriptie, maakt de cel tot een volledig onafhankelijk systeem en daarmee tot een onafhankelijke levensvorm.

Cellen kunnen worden onderverdeeld in twee verschillende typen. Het ene is het eenvoudigste en meest elementaire concept van een celstructuur. Deze wordt gebruikt door bacteriën en archaea, die vroeger de enige levensvormen op aarde waren, totdat in het evolutieproces meer geëvolueerde cellen ontstonden. Deze cellen worden prokaryote cellen genoemd, terwijl de andere de eukaryote cellen zijn, die een complexere celstructuur erven. Het belangrijkste verschil tussen deze twee celtypen is de structuur en de vorm van de informatieopslag. De prokaryote celinformatie, in biologische termen DNA genoemd, wordt opgeslagen in de vorm van een gevouwen structuur die in dichte supergewikkelde slierten door de cel zweeft. De eukaryote cel daarentegen heeft een kern, de kern genaamd, waar het DNA wordt opgeslagen voor verder gebruik. Het DNA is gewikkeld rond eiwitten, histonen genaamd. De structuur van de celkern is gepuncteerd, zodat bepaalde fragmenten de omhulling van de celkern kunnen verlaten door gaten in het kernmembraan.

2. DNA-structuur en -functionaliteit

DNA is een afkorting voor desoxyribonucleïnezuur. DNA beschrijft de structuur van de genetische informatie, die is gebaseerd op een polynucleotide. Een polynucleotide is een lange reeks nucleotiden die in alle levende cellen, zowel ineukaryoten als prokaryoten, hetzelfde is. Elk nucleotide is gebaseerd op een van de vier nucleobasen: Adenine, Cytosine; Thymine enGuanine. Twee basen zijn complementair aan elkaar, Adenine aan Thymine enGuanine aan Cytosine, en een bepaalde structuur kan worden gevormd door de opeenvolgingen van de complementaire nucleobasen. De nucleotide zelf bestaat uit een fosfatemolecuul, een suikermolecuul en een nucleobase. De verschillende nucleobasen zijn met elkaar verbonden door een sterke waterstofbrug, die het DNA een zekere flexibiliteit geeft, terwijl de vastgestelde volgorde van de nucleobasen gehandhaafd blijft. In de celkern is hetDNA beschikbaar in de vorm van een dubbele helix om minder ruimte in te nemen wanneer het in een strakke bal in het centrum van de kern is gewikkeld (Lara, 2009). Volgens Lara kan elke nucleotide een “kop-staart associatie aangaan met elke andere nucleotide” aan hun 5` en 3´ uiteinde. Dat betekent dat elke nucleotide een welbepaalde structuur heeft met twee verschillende uiteinden om te interageren en te verbinden met andere nucleotiden. Dit fenomeen definieert de DNA-sequentie die essentieel is voor de groei en ontwikkeling van levensvormen.

De sequentie van DNA werd voor het eerst gecodeerd door de wetenschappers James Dewey Watson en Francis Crick. Met hun ontdekking van de DNA-sequentie, ook wel “Universaliteit van de genetische code” genoemd, verschoof de aandacht van de chemie achter het DNA naar de codering van DNA via nucleobasen en de moleculaire structuur van informatie in een cel (Lyre, 2002).

De volgorde van het DNA wordt gebruikt om informatie op te slaan over de bouw van eiwitten en andere operationele functies van de cel. Via transcriptie en translatie kan deze informatie worden gereproduceerd en gelezen om nieuwe eiwitten in de cel te construeren.

3. Proces van replicatie van informatie in de biologie

Cellen hebben het vermogen om eiwitten te reproduceren, via translatie, om de overleving van de cel op lange termijn te ondersteunen. Eiwitten zijn gebaseerd op aminozuren en elk eiwit onderscheidt zich door zijn gebruik en functie. De cel zelf is verdeeld in twee verschillende compartimenten. Het cytoplasma omgeeft alle delen van het inwendige van de cel en deze delen kunnen vrij zweven door de omhulling van de celwanden. De celkern daarentegen heeft een afgeronde vorm en bevat het DNA van de cel, alsmede de apparatuur die deze opgeslagen informatie beheert. Zelfs de activering en blokkering van bepaalde nucleotide-sequenties kan met dit soort apparatuur worden bereikt (Lara, 2009: 3). Beide delen, de kern en het cytoplasma, worden gescheiden door het kernomhulsel, dat de verschillende fasen van de informatiestroom binnen de cel fysiek verdeelt. Volgens Lyre (2003: 91) bestaat de informatieverwerking uit twee verschillende stadia, de transcriptie en de translatie. Bovendien kan het DNA worden gerepliceerd om aan de behoefte van celdeling door groei te voldoen.

1. Transcriptie:

Het proces van transcriptie beschrijft de handeling van het kopiëren van een DNA-sequentie in een meer mobiele vorm van informatie. Deze vorm wordt het mRNA genoemd, wat staat voor boodschapper-ribonucleïnezuur. Het vertegenwoordigt de helft van het vereiste deel van de oorspronkelijke nucleotide-helixstructuur.

Wanneer het boodschapper-RNA volledig ontwikkeld is, reist het door gaten in de kernwand en komt het in het volgende stadium van informatieverwerking, het cytoplasma.

2. Vertaling:

In het cytoplasma vindt de volgende stap van de verwerking van celinformatie plaats, het zogenaamde vertaalproces. Het mRNA zweeft nu vrij in het cytoplasma en een eiwit, het ribosoom, hecht zich aan het mRNA en begint een tRNA toe te voegen aan het eerste codon van het mRNA. Er zijn verschillende tRNA’s voor de verschillende sequenties van de nucleobasen die aan de mRNA-structuur vastzitten. Door de volgorde van de nucleobasen af te lezen wordt een aminozuur opgebouwd en ontstaat een eiwit (bioadmin, 2013). Dit eiwit reist door het cytoplasma en wordt ingebouwd in het celnet dat het binnenste van de cel scheidt van de buitenwereld. Eenmaal in het netwerk geplaatst, kan het eiwit verschillende functies gaan uitvoeren.

3. Replicatie:

Het repliceren van het DNA is nodig wanneer de cel een bepaalde omvang heeft bereikt. DNA wordt gerepliceerd om de nieuwe cel een set informatie te geven om eiwitten te produceren en op de juiste manier te functioneren. Eerst wordt de dubbele helix van het DNA gescheiden, en de verdeelde complementaire nucleobasen worden weer aan hun tegenhangers gekoppeld om dezelfde reeks sequenties te behouden en daarmee de genetische informatie die door het oorspronkelijke DNA van de cel is gegeven.

4. Opslagcapaciteit van DNA

Een aminozuur is gebaseerd op een codon, dat drie nucleobasen bevat. Als we bedenken dat er vier verschillende mogelijkheden zijn om deze drie vakjes van een codon te vullen, dan kunnen we de complexiteit van een codon bepalen. Deconfiguraties voor één triplet codon zijn 64 verschillende codons. Als we een DNA-streng nemen die bestaat uit 100 codons, dan hebben we alternatieven in volgordes. Het gemiddelde aantal nucleotiden in het DNA van een eenvoudige levensvorm, bijvoorbeeld Escherichia coli, is N=. Dat betekent dat als we dat berekenen voor de afwisseling van sequenties, dat (Lyre, 2002, p. 94). Deze capaciteiten van opslagcapaciteit gaan ons voorstellingsvermogen te boven. Zelfs voor de eenvoudigste levensvormen hier op aarde is de informatie over opgeslagen processen en stoffen te complex om te bevatten.

5. Semantiek van eiwitproductie en functionaliteit van het DNA

De definitie voor semantiek is “de studie van betekenissen in taal” (Cambridge, 2014)die kan worden toegepast op cellen als de taal van DNA-codering en informatiestroom in cellulaire interactie. Zoals eerder gezegd, wordt de genetische informatie opgeslagen in het DNA van een cel door middel van de codering van nucleotiden en codons. Het belang van informatie voor de cel is de decodering van deze bepaalde opeenvolging van nucleotiden om aminozuren te genereren en eiwitten te produceren die van vitaal belang zijn voor het overleven van de cel zelf. Deze eiwitten hebben een duidelijk bepaalde functie in het celnetwerk voor de uitwisseling van voedingsstoffen of de instandhouding van de celstructuur. De semantiek van een cel zelf is gebaseerd op de functionaliteit van de decodering van de nucleotidenreeks. Een code is alleen nuttig wanneer de vastgestelde functionaliteit van het eiwit na de synthese gegeven is en het eiwit functioneert op de manier waarvoor het ontworpen is. Lara stelt in zijn artikel dat er externe regulatoren zijn die “de activering of niet-activering van specifieke gedeelten mediëren, die ook kunnen worden gereguleerd door agenten buiten het eiwit” (Lara, p. 3). Het probleem binnen die stelling is de complexiteit in de relaties tussen de informatie die is opgeslagen in het DNA en het effect ervan op eiwitten. Reeds bestaande proteïnen stellen het DNA in staat de nodige informatie om te zetten en de proteïnen later in het proces te bouwen.De informatiestroom moet daarom worden beschreven als tweerichtingsverkeer en daarom kunnen niet het DNA of de proteïnen worden gezien als de zender van het initiële signaal van het vertalen van stukjes DNA (Lyre, 2002).

6. Signalen voor DNA-Transcriptie en informatiestroom

Een beïnvloedende factor voor de verwerking en opslag van biologische informatie is de nucleoïdevolgorde. Maar daarnaast kunnen ook anderestructurele eigenschappen van het DNA als opslagcodering worden gewaardeerd. Deelektronische configuratie in delen van de DNA-moleculen of de topologische,topologie staat voor de “studie van die eigenschappen van geometrische vormen die onveranderlijk blijven onder bepaalde transformaties, zoals buigen of strekken” (dictionary.com, 2017), eigenschappen van hetDNA in zijn driedimensionale structuur (Lyre, 2002, p. 99). Deze functionele eigenschappen van de DNA-structuur kunnen van invloed zijn op de opslagcapaciteit en de wijze van informatiecodering incell DNA van verschillende levensvormen. Een fenomeen dat “junk-DNA” wordt genoemd, kan ook een verslechtering van deze eigenschappen zijn door zijn repetitiviteit in het algemene DNA.Binnen de cel zelf zijn er ook factoren. Regelmoleculen, enzymen en structurele proteïnen die de biologische celinformatie op een bepaalde manier beïnvloeden. Bepaalde genen worden op een bepaalde manier tot expressie gebracht om de structuur van gekweekte eiwitten te bepalen. In het proces van transcriptie kunnen de eerder genoemde structurele eiwitten bepaalde genexpressies activeren of deactiveren om de algehele eiwitsamenstelling te veranderen.De eiwitstructuur wordt veranderd door hetzelfde deel van het DNA te gebruiken door middel van transcriptie, maar door de expressie van de genen te veranderen.

Naast intracellulaire factoren zijn ook extracellulaire factoren bepalend voor de informatieverwerking. Deze kunnen worden onderscheiden in twee afzonderlijke delen. Aan de ene kant zijn er moleculen die door het celmembraan kunnen reizen, op basis van hun kleine structuur, en zich kunnen hechten aan speciale kernreceptoren en het proces van DNA-vertaling en de synthese van RNA veranderen voor het vertaalproces later. Aan de andere kant is er de beïnvloedingsfactor van lading, toegevoegd door externe moleculen, die de driedimensionale structuur van het eiwitmolecuul kan veranderen en daardoor de functionaliteit ervan voor de cel (Lyre, 2002, p. 100). Een geïsoleerde cel kan worden genoemd als een zelfgereguleerde informatiestroom en dus een onafhankelijke verwerkingsmachine voor informatie die door de cel zelf wordt gezonden (Lara, p. 9).

7. Beïnvloedende factoren voor informatiecodering

Regelend naar Lyres verklaring, werd de werking van informatieverwerking ontwikkeld door het concept van evolutie gedurende verscheidene miljarden jaren. Anders, volgens Lyre, zou er geen punt zijn voor cellen om een celstructuur te ontwikkelen als niet door het veranderen van de informatie in DNA en het coderen van informatie in de vorm van hun cel-DNA voor eiwitsynthese (Lyre, 2002, p. 103). Het concept evolutie kan worden omschreven als de belangrijkste kracht achter het DNA-systeem waarop alle complexe levende wezens zijn gebaseerd. De omgeving en de factoren die een rol spelen in dit complexe systeem van naast elkaar bestaande levensvormen en interacties, vormen de drijvende kracht achter de evolutie van de biologische informatie die in een levende cel aanwezig is. Het bepaalt “dat een nieuwe cel diachroon de structuren reconstrueert die hetfenotype van het individuele levende wezen ondersteunen” (Díaz, 2017, p. 6). Zoals de heer Diaz beschreef, wordt de evolutie van genetische informatie bepaald door de omgeving waarin een levend wezen interageert en verandert daarom de biologische informatie over een lange-tijdsperiode om het fenotype van het individuele wezen aan te passen. Hij beschrijft het als het “substraat waarop nieuwe determinaties in het morfogeneseproces epigenetisch plaatsvinden” (Díaz, 2017, p. 6) . Ook de neurale capaciteit van levensvormen kan verschillend zijn voor het verwerken van bepaalde informatie. Bijvoorbeeld, een mens kan meer en moeilijkere informatie of processen verwerken als een andere levensvorm die meer neuronale capaciteit zou kunnen hebben door zijn biologische informatie, maar de structuur van de hersenen en de neuronale verbindingen kunnen niet de volledige capaciteit van complex denken mogelijk maken.

Lifedevelopment wordt bepaald door de instructies die in de genomen liggen en externe factoren op basis van omgeving. Door deze verklaring is het geen verrassing dat het leven op aarde zoals het nu is, wordt gevormd door de voortdurende verandering van biologische informatie die in bacteriën is ontstaan en zich in de loop van miljarden jaren heeft ontwikkeld tot fenotypen van alle verschillende soorten levende wezens.

De externe invloedsfactoren, het zenuwstelsel en de spieren/orgaan, zijn de ontvangers van de instructies. De spieren/organen kunnen worden omschreven als operationele eenheden die met de omgeving interageren en veranderen als gevolg van de aanpassing aan de milieu-uitdagingen die zich voordoen als gevolg van verschillende klimaten en habitats. Het zenuwstelsel aan de andere kant zorgt voor de juiste functie en coördinatie van de operationele eenheden en kan worden omschreven als een soort metasysteem dat informatie verwerkt en reacties geeft op externe signalen via de operationele eenheden (Díaz, 2017, pp. 6-9).

8. DNA-evolutie opnemen naar Darwin enevolutionaire wetenschap

Charles Darwin staat voor het oorspronkelijke concept vanevolutie dat het concept van “survival of the fittest” toepast. Het zegt dat alleen de sterkste en meest aangepaste individuen van een soort de omgeving waarin zij leven kunnen overleven en hun genetische poel, of biologische informatie, kunnen doorgeven aan de volgende generatie, terwijl de andere individuen sterven omdat zij zich niet aan de omgeving hebben aangepast. De biologen van vandaag definiëren evolutie als een “totaal van individuen die in staat zijn om voortplanting te genereren die zichzelf kan voortplanten” (Lyre, 2002, p. 108). Maar in een soort zijn er “geen twee individuen” met dezelfde genetische informatie als gevolg van willekeurige mutatie in de genenpool en recombinatie in het voortplantingsproces. Door dit soort variatie van de genetische informatie in individuen van één soort wordt gevarieerd in een chaotisch systeem en niet bepaald door enig plan of vast patroon. Alleen het toeval van randommutaties in de opeenvolging van nucleobasen, en dus codons, kan worden beschreven als de drijvende factor achter de verandering van biologische informatie. De fitste en meest aangepaste individuen kunnen, als gevolg van de mutatie over meerdere generaties, beter overleven dan degenen zonder deze speciale eigenschap. (Lier, 2002, blz. 109-115)

9. Evolutie van biologische informatie

Het ontstaan van een celstructuur kan worden beschreven als een toevalstreffer. Reekjes aminozuren en nucleotiden dreven miljarden jaren geleden rond in de oersoep. Door een soort van toeval begonnen deze slierten zich te organiseren en bouwden netwerken die gegeven informatie, bijvoorbeeld door de omgeving of andere cellen, konden verwerken en dienovereenkomstig reageren. Deze netwerken zijn cirkelvormig om de gehele verwerking van informatie uit externe bronnen te verzekeren. Dat betekent dat alle biologische levensvormen zijn geëvolueerd uit één specifieke set van biologische informatie en dus afstammen van één archetype dat zich bij toeval ontwikkelde. Dit is ook te zien aan de ontwikkelingsstadia van embryo’s bij verschillende soorten na de efertilisatie. De embryo’s lijken in de eerste stadia op elkaar, maar ontwikkelen in de loop van de tijd de speciale eigenschappen van hun soort, totdat zij zich door hun vorm en vermogens volledig van elkaar onderscheiden.