Genetisk information – glossariumBITri

1. Livsformer och deras genetiska information

I allmänhet kan cellerna bestämmas som livets minsta enhet, genom deras förmåga att generera, duplicera och bearbeta information. En cell innehåller olika delar som har en bestämd funktion och process för att göra cellen till en maskin som kan reagera på sin omgivning och yttre påverkan . Förmågan att ta emot, bearbeta och skapa information genom duplicering, som i översättning/transkription, gör cellen till ett helt självständigt system och därmed till en självständig livsform.

Celler kan delas in i två olika typer. Den ena är det enklaste och mest grundläggande konceptet för en cellstruktur. Den används av bakterier och arkéer, som brukade vara de enda livsformerna på jorden tills mer utvecklade celler kom fram genom evolutionsprocessen. Dessa celler kallas prokaryota celler, medan de andra är eukaryota celler, som ärver en mer komplex cellstruktur. Den största skillnaden mellan dessa två celltyper är strukturen och formen för informationslagring. Den prokaryotiska cellens information, i biologiska termer kallad DNA, lagras i form av en veckad struktur som flyter genom cellen i täta superlindade strängar. Den eukaryota cellen däremot har en kärna, kallad kärnan, där DNA lagras för vidare användning. DNA:t är lindat runt proteiner som kallas histoner. Kärnans struktur är punkterad, så vissa fragment kan lämna kärnans inneslutning genom hål i kärnans membran.

2. DNA – struktur och funktionalitet

DNA är en förkortning för desoxyribonukleinsyra. DNA beskriver strukturen av den genetiska informationen, som är baserad på en polynukleotid. En polynukleotidbeskriver en lång sträng av nukleotider som är densamma i alla levande celler, ineukaryoter såväl som prokaryoter. Varje nukleotid är baserad på en av fyra nukleobaser: Adenin, cytosin, tymin och guanin. Två baser är komplementära till varandra, adenin till tymin och guanin till cytosin, och en viss struktur kan bildas av sekvenserna av de komplementära nukleobaserna. Själva nukleotiden består av en fosfatmolekyl, en sockermolekyl och en nukleobas. De olika nukleobaserna är sammanlänkade genom en stark vätebindning som ger DNA en viss flexibilitet samtidigt som den bestämda sekvensen av nukleobaserna bibehålls. I cellkärnan finns DNA i form av en dubbelspiral för att ta mindre plats när det är uppvirvlat i en tät boll i cellkärnans centrum (Lara, 2009). Enligt Lara kan varje nukleotid upprätta en ”head-tail association med vilken annan nukleotid som helst” vid deras 5` och3´ändar. Det innebär att varje nukleotid har en definierad struktur med två olika ändar för att interagera och knyta an till andra nukleotider. Detta fenomen definierar DNA-sekvensen som är avgörande för livsformernas tillväxt och utveckling.

DNA-sekvensen krypterades först av vetenskapsmännen James Dewey Watson och Francis Crick. I och med deras upptäckt av DNA-sekvensen, även kallad ”den genetiska kodens universalitet”, flyttades fokus från kemin bakom DNA till kodningen av DNA genom nukleobaser och den molekylära strukturen av information i en cell (Lyre, 2002).

DNA:s sekvens används för att lagra information om uppbyggnaden av proteineroch andra driftsfunktioner i cellen. Genom transkription och översättning kan denna information reproduceras och läsas för att konstruera nya proteiner i cellen.

3. Process för replikering av information i biologi

Celler har förmågan att reproducera proteiner, genom översättning, för att stödja cellens överlevnad i det långa loppet. Proteiner är baserade på aminosyror och varje protein skiljer sig åt genom sin användning och funktion. Själva cellen är uppdelad i två olika avdelningar. Cytoplasman omger alla delar av cellens inre och dessa delar kan flyta fritt genom cellväggarnas inneslutning. Kärnan däremot har en rundad form och innehåller cellens DNA samt utrustning som hanterar denna lagrade information. Till och med aktivering och blockering av vissa nukleotidsekvenser kan åstadkommas med denna typ av utrustning (Lara, 2009: 3). De båda delarna, kärnan och cytoplasman, är åtskilda av kärnhöljet, som fysiskt delar upp de olika stadierna av informationsflödet i cellen. Enligt Lyre (2003: 91) består informationsbehandlingen av två olika steg, transkription och översättning. Dessutom kan DNA:t replikeras för att matcha behovet av celldelning genom tillväxt.

1. Transkription:

Transkriptionsprocessen beskriver handlingen att kopiera en DNA-sekvens till en mer rörlig informationsform. Denna form kallas mRNA, vilket står för messenger ribonukleinsyra. Den representerar hälften av den nödvändiga delen av den ursprungliga nukleotidhelixstrukturen.

När budbärar-RNA är fullt utvecklat färdas det genom hål i kärnans vägg och går in i nästa steg i informationsbehandlingen, cytoplasman.

2. Översättning:

I cytoplasman sker nästa steg i bearbetningen av cellens information, som kallas översättningsprocessen. MRNA:t flyter nu fritt i cytoplasman och ett protein som kallas ribosom, fäster sig vid mRNA:t och börjar lägga till ett tRNA till mRNA:t första kodonet i mRNA:t. Det finns olika tRNA för att matcha de olika sekvenserna av nukleobaser som är knutna till mRNA-strukturen. Genom att läsa sekvensen av nukleobaser byggs en aminosyra upp och ett protein utvecklas (bioadmin, 2013). Detta protein färdas genom cytoplasman och byggs in i cellnätet som skiljer cellens inre från den yttre världen. När proteinet väl är placerat inuti nätet kan det börja utföra olika funktioner.

3. Replikation:

Akten att replikera DNA:t behövs när cellen når en viss storlek. DNA replikeras för att ge den nya cellen en uppsättning information för att producera proteiner och fungera på rätt sätt. Först separeras DNA:s dubbelspiral, och de uppdelade komplementära nukleobaserna matchas på nytt med sina motsvarigheter för att upprätthålla samma uppsättning sekvenser och därmed den genetiska information som gavs genom den ursprungliga cellens DNA.

4. Lagringskapacitet hos DNA

En aminosyra är baserad på ett kodon, som innehåller tre nukleobaser. Om vi tar hänsyn till att det finns fyra olika möjligheter att fylla dessa tre hål i en kodon kan vi bestämma komplexiteten hos en kodon. Konfigurationsmöjligheterna för en triplettkodon är 64 olika kodoner. Om vi tar en DNA-sträng som består av 100 kodoner har vi alternativa sekvenser. Det genomsnittliga antalet nukleotider i DNA:t hos en enkel livsform, till exempel Escherichia coli, är N=. Det innebär att om vi räknar ut att det finns alternativa sekvenser, betyder det (Lyre, 2002, s. 94). Denna lagringskapacitet är bortom räckhåll för vår egen fantasi. Till och med för de enklaste livsformerna här på jorden är den information om processer och ämnen som lagras alltför komplex för att vi skall kunna förstå den.

5. Semantik för proteinproduktion och DNA:s funktionalitet

Definitionen av semantik är ”studiet av betydelser i språket” (Cambridge, 2014)vilket kan tillämpas på celler som språket för DNA-kodning och informationsflöde i cellulär interaktion. Som tidigare nämnts lagras den genetiska informationen i en cells DNA genom kodning av nukleotider och kodoner. Informationens betydelse för cellen är avkodningen av denna bestämda sekvens av nukleotider för att generera aminosyror och producera proteiner som är viktiga för cellens egen överlevnad. Dessa proteiner har en tydlig bestämd funktion i cellnätet för att utbyta näringsämnen eller upprätthålla cellstrukturen. Själva cellens semantik bygger på funktionaliteten i avkodningen av nukleotidsekvensen. En kod är endast användbar när den fastställda funktionaliteten hos proteinet är given efter syntesen och proteinet fungerar på det sätt som det var avsett för. Lara konstaterar i sin artikel att det finns externa reglerare som ”reglerar aktivering eller icke-aktivering av specifika delar, som också kan regleras av agenter utanför proteinet” (Lara, s. 3). Problemet inom denna tes är komplexiteten i relationerna mellan den information som finns lagrad i DNA och dess effekt på proteiner. Redan existerande proteiner gör det möjligt för DNA att översätta den information som behövs och bygga proteinerna senare i processen.Informationsflödet måste därför beskrivas som dubbelriktat och därför kan varken DNA eller proteiner ses som avsändare av den initiala signalen för att översätta bitar av DNA (Lyre, 2002).

6. Signaler för DNA-transkription och informationsflöde

En påverkande faktor för bearbetning och lagring av biologisk information är nukleoidsekvensen. Men vid sidan av detta kan andra strukturella egenskaper hos DNA värderas som lagringskodning. Den elektroniska konfigurationen i delar av DNA-molekylerna eller den topologiska,topologi står för ”studiet av de egenskaper hos geometriska former som förblir invarianta under vissa transformationer, som böjning eller sträckning” (dictionary.com, 2017), egenskaper hosDNA i dess tredimensionella struktur (Lyre, 2002, s. 99). Dessa funktionella egenskaper hos DNA-strukturen kan påverka lagringskapaciteten och sättet för informationskodning incellDNA hos olika livsformer. Ett fenomen som kallas ”skräp-DNA” kan också vara en adeterment av dessa egenskaper genom sin upprepning i det allmänna DNA:t. Inne i själva cellen finns det också faktorer. Reglerande molekyler, enzymer och strukturella proteiner som påverkar den biologiska cellinformationen på ett visst sätt. Vissa gener uttrycks på ett visst sätt för att bestämma strukturen hos odlade proteiner. I transkriptionsprocessen kan de tidigare nämnda strukturproteinerna aktivera eller inaktivera vissa genuttryck för att förändra den totala proteinsammansättningen.Proteinstrukturen förändras genom att man använder samma del av DNA genom transkription men ändrar genernas uttryck.

Som intracellulära faktorer bestämmer även extracellulära faktorer informationsbehandlingen. Dessa kan särskiljas i två separata delar. På den ena sidan finns det molekyler som kan färdas genom cellmembranen, baserat på sin lilla struktur, och fäster sig vid speciella kärnreceptorer och förändrar DNA-translationsprocessen och syntesen av RNAför översättningsprocessen senare. På motsatt sida finns den påverkande laddningsfaktorn som tillförs av externa molekyler och som kan förändra proteinmolekylens tredimensionella struktur och därmed dess funktionalitet för cellen (Lyre, 2002, s. 100). En isolerad cell kan kallas för ett självreglerat informationsflöde och därmed en oberoende bearbetningsmaskin för information som skickas av cellen själv (Lara, s. 9).

7. Påverkansfaktorer för informationskodning

Enligt Lyres förklaring utvecklades åtgärden att bearbeta information genom begreppet evolution under flera miljarder år. Annars, enligt Lyre, skulle det inte finnas någon mening för cellerna att utveckla en cellstruktur om inte genom att ändra informationen i DNA och koda information i form av deras cell-DNA för proteinsyntes (Lyre, 2002, s. 103). Begreppet evolution kan beskrivas som den huvudsakliga kraften bakom DNA-systemet som alla komplexa levande varelser bygger på. Miljön och de faktorer som ingår i detta komplexa system av samexisterande livsformer och interaktioner är den drivande kraften bakom evolutionen av den biologiska information som bärs upp i en levande cell. Den bestämmer ”att en ny cell diakront rekonstruerar de strukturer som stöder den enskilda levande varelsens fenotyp” (Díaz, 2017, s. 6). Som Diaz beskrev bestäms evolutionen av genetisk information av den miljö som en levande varelse interagerar i och förändrar därför den biologiska informationen under en lång tidsperiod för att justera den individuella varelsens fenotyp. Han beskriver den som det ”substrat på vilket nya bestämningar i morfogenesiprocessen äger rum epigenetiskt” (Díaz, 2017, s. 6) . Även livsformernas neurala kapacitet kan vara olika för att bearbeta given information. Till exempel kan en människa bearbeta mer och svårare information eller processer som en annan livsform som kan ha mer neuronal kapacitet genom sin biologiska information, men hjärnans struktur och de neuronala kopplingarna kan inte möjliggöra den fulla kapaciteten för komplext tänkande.

Livsutvecklingen bestäms av instruktionerna som ligger i genomet ochexterna faktorer baserade på miljön. På grund av detta påstående är det ingen överraskning att livet på jorden som det ser ut idag formas av den kontinuerliga förändringen av biologisk information som har sitt ursprung i bakterier och utvecklats till fenotyper av alla olika typer av levande varelser under en period av miljarder år.

Ansvarstagare för de externa påverkande faktorerna, nervsystemet och muskler/organen. Musklerna/organen kan bestämmas som operativa enheter som interagerar med miljön och förändras genom att de anpassar sig till de miljöutmaningar de ställs inför på grund av olika klimat och livsmiljöer. Nervsystemet å andra sidan säkrar de operativa enheternas korrekta funktion och samordning och kan bestämmas som ett slags metasystem som bearbetar information och ger svar på externa signaler genom de operativa enheterna (Díaz, 2017, s. 6-9).

8. DNA-evolutionens inspelning av Darwin och utvecklingsvetenskapen

Charles Darwin står för den ursprungliga uppfattningen om evolutionen, som tillämpar begreppet ”survival of the fittest” (den starkaste överlever). Det innebär att endast de starkaste och mest anpassade individerna av en art kan överleva den miljö de lever i och föra sin arvsmassa, eller biologiska information, vidare till nästa generation, medan de andra individerna dör på grund av sin bristande anpassning till miljön. Dagens biologiska forskare definierar evolutionen som en ”summa av individer som kan generera en genus som kan reproducera sig själva” (Lyre, 2002, s. 108). Men i en art finns det ”inte två individer” med samma genetiska information på grund av slumpmässiga mutationer i genpoolen och rekombination i reproduktionsprocessen. Genom denna typ av variation av den genetiska informationen hos individer av en art varieras i ett kaotiskt system och bestäms inte av någon plan eller något fast mönster. Enbart sammanträffandet av randkommutationer i sekvensen av nukleobaser, och därmed kodoner, kan beskrivas som den drivande faktorn bakom förändringen av biologisk information. De lämpligaste och mest anpassade individerna kan tack vare mutationen under flera generationer överleva bättre än de som inte har denna speciella egenskap. (Lyre, 2002, s. 109-115)

9. Evolution av biologisk information

Uppkomsten av en cellstruktur kan beskrivas som en tillfällighet. Strängar av aminosyror och nukleotider flöt omkring i den primära soppan för miljarder år sedan. Genom någon form av tillfällighet började dessa strängar sedan organisera sig och bygga nätverk som kunde bearbeta given information, t.ex. från omgivningen eller andra celler, och reagera därefter. Dessa nätverk är cirkelformade för att säkerställa hela bearbetningen av information från externa källor. Detta innebär att alla biologiska livsformer har utvecklats från en specifik uppsättning biologisk information och därför härstammar från en arketyp som utvecklades av en slump. Detta kan också ses i de olika arternas utvecklingsstadier av embryon efter äggbefruktning. Embryona är likartade i de tidiga stadierna men utvecklar med tiden sina speciella egenskaper för sin art tills de helt skiljer sig från varandra genom sin form och sina förmågor.