W

Nukleotydy - podstawowe jednostki strukturalne DNA. Atomy węgla (chociaż nie zaznaczone) występują w każdym miejscu, do którego dochodzą dwa lub trzy wiązania chemiczne (linie proste). Na końcu wiązań o nie zaznaczonym atomie znajduje się atom wodoru

Ułożenie i powiązanie nukleotydów w podwójnej helisie DNA

yobraźmy sobie zwykły łańcuch złożony z ogniw. Następnie na każdym ogniwie zawieśmy rodzaj zaczepu. Tak właśnie wygląda pojedyncza nić DNA. Każde ogniwo ze swoim zaczepem to jednostka nukleotydowa. Takie jednostki występują jako wolne nukleotydy w komórce i są łączone ze sobą w procesie powstawania nici DNA.

W DNA występują cztery różne nukleotydy. Są one podobne do siebie, ale jednocześnie wystarczająco różne, by były rozpoznawalne w procesach, w których są wykorzystywane.

Odróżniającą się częścią nukleotydu jest pierścień, zwany zasadą, utworzony przez wiązania chemiczne między atomami węgla i azotu. Cztery różne pierścienie noszą nazwy: adenina, tymina, guanina i cytozyna. Jednostki nukleotydowe zawierające te zasady są oznaczane odpowiednio literami: A, T, G i C. Pozostała część tej jednostki, w przeciwieństwie do zasady, jest taka sama w każdym nukleotydzie: w skład jej wchodzi cukier - deoksyryboza (także w formie pierścienia) związany z grupą fosforanową (P). Różne figury geometryczne oznaczające poszczególne nukleotydy przedstawione na rycinie powyżej, będą wielokrotnie używane w tej książce na schematach kwasów nukleinowych.

Długa nić DNA powstaje dzięki wiązaniom chemicznym tworzącym się między grupą fosforanową a deoksyrybozą sąsiedniego nukleotydu. Nukleotydy trzymają się więc razem dzięki grupom fosforanowym. Powracając do wyjściowego opisu: fosforany deoksyrybozy to ogniwa tworzące łańcuch, a zasady to dołączone do nich zaczepy.

W nici DNA każda deoksyryboza jest połączona z dwiema grupami fosforanowymi. Grupy fosforanowe tworzą wiązania z dwoma różnymi atomami węgla deoksyrybozy (oznaczonymi na rycinie poniżej jako 3' i 5') i nie są równoważne, co można zauważyć, przyjrzawszy się dokładnie ilustracji. W nici po lewej stronie każdy nukleotyd jest połączony z poprzedzającą go grupą fosforanową przez atom węgla 5'. Odwrotnie jest w przypadku nici po prawej stronie. Nie są tu potrzebne szczegóły, ale trzeba pamiętać, że nici DNA są ukierunkowane (spolaryzowane), co wynika z nierównoważności wiązań fosforanowych. Przyjęto konwencję, że kiedy odczytuje się kolejność nukleotydów lewej nici od dołu do góry lub prawej od góry do dołu - mówi się o kierunku od 3' do 5', oraz kiedy odczytuje się kolejność nukleotydów lewej nici od góry do dołu oraz prawej nici od dołu do góry - o kierunku od 5' do 3'. Uwagi na temat ukierunkowania nici DNA mogą się wydawać nieco kłopotliwe, niedługo jednak okaże się, jak bardzo interesujące konsekwencje ma to zjawisko.

DNA obecny w komórkach występuje jako połączenie dwóch pojedynczych nici. Trzymają się one razem dzięki słabym wiązaniom chemicznym - wiązaniom wodorowym (pokazanym jako wykropkowane linie). Wiązania te powstają między zasadami naprzeciwległych nukleotydów. Tylko określone pary nukleotydów mogą tworzyć takie wiązania: T zawsze łączy się z A, a C z G. W ten sposób sekwencja nukleotydów jednej nici określa w sposób jednoznaczny ich kolejność w drugiej. O niciach DNA, które utworzyły takie pary, mówi się, że są wzajemnie komplementarne. Nici komplementarne są przeciwnie spolaryzowane (ukierunkowane). Jedna z nici ma kierunek od 3' do 5', a druga - od 5' do 3'. Zauważmy także, że nici komplementarne różnią się od siebie sekwencją nukleotydów, na przykład (strzałki symbolizują tu kierunki nici):

Często pokazuje się jedynie sekwencję nukleotydów, na przykład: AAGCTG. Kierunek nici wskazuje się oznaczając końce 5' i 3': 5'-AAGCTG-3'. Tak więc region dwuniciowy i jego komplementarną sekwencję nukleotydową można zapisać: 5'-AAGCTG-3' 3'-TTCGAC-5'

W większości DNA nukleotydy A, T, G i C nie występują w równej liczbie. Ze względu na komplementarność zasad jednak, niezależnie od źródła DNA, zachodzą w nim stałe związki ilościowe: liczba reszt A jest zawsze równa T, a liczba reszt G - zawsze ilości C, ponieważ A zawsze łączy się z T, a G z C, co ustalono jeszcze przed odkryciem struktury DNA; była to decydująca wskazówka przy opracowaniu modelu podwójnej helisy.

Ponieważ wiązania wodorowe utrzymujące dwie nici podwójnej helisy ze sobą są relatywnie słabe, nici te można rozpleść i rozdzielić przy niewielkim nakładzie energii. Żeby rozpleść helisę, wystarczy doprowadzić do temperatury bliskiej temperaturze wrzenia wodny roztwór DNA - wysoka temperatura powoduje rozerwanie wiązań wodorowych nie uszkadzając silniejszych wiązań, utrzymujących razem nukleotydy w poszczególnych niciach. Zjawisko to nosi nazwę denaturacji DNA. Obniżenie temperatury powoduje odwrotny proces. W odpowiednich warunkach obie nici DNA ułożą się wzdłuż siebie i odtworzą wyjściowe pary zasad i podwójną helisę - proces ten nazywa się splataniem (renaturacją - przyp. tłum.).

Denaturacja i renaturacja DNA to nienaturalne, wywoływane w warunkach laboratoryjnych odpowiedniki procesów zachodzących powszechnie w żywych komórkach, mających podstawowe znaczenie dla pełnionych przez DNA funkcji biologicznych. Biolodzy wykorzystują je również do badań i przekształceń DNA w wielu procedurach doświadczalnych. Będziemy jeszcze wielokrotnie do nich powracać. Należy więc zapamiętać, że nici DNA splatają się ze sobą wtedy, gdy sekwencje nukleotydowe są komplementarne. Kolejność nukleotydów: A, T, G i C w jednej nici musi odpowiadać kolejności komplementarnych nukleotydów: T, A, C i G w drugiej nici, przy czym nici te są przeciwnie ukierunkowane.

Dzięki badaniom nad prostymi genomami prokariotycznymi odkryto, że cząsteczki DNA podczas replikacji pełnią dwie odrębne funkcje. Po pierwsze, sekwencja zasad jest matrycą, na której podczas replikacji kopiowana jest nić komplementarna. Po drugie, geny zapisane w DNA kodują enzymy i inne białka konieczne do syntezy nowej cząsteczki DNA. Podczas replikacji nici helisy rozplatają się w określonym rejonie i każda z nich służy jako matryca dla nowej komplementarnej nici. Tak więc w każdej z nowo powstających dwuniciowych cząsteczek DNA jedna z nici jest odziedziczona po cząsteczce macierzystej, a druga - nowo zsyntetyzowana. Pomimo pozornej prostoty replikacja DNA jest w rzeczywistości skomplikowanym procesem, w którym biorą udział liczne białka. Główną rolę odgrywają polimerazy DNA (końcówka -aza jest powszechnie używana w nazwach enzymów). Enzymy te mają za zadanie łączenie jednostek nukleotydowych w jedną nić. Wszystkie polimerazy DNA wydłużają nić, dodając zawsze tylko po jednym nukleotydzie. Nukleotyd dodawany za każdym razem musi być komplementarny do kolejnego nukleotydu matrycy, co umożliwia wytworzenie się między nimi wiązań wodorowych utrzymujących nici razem. Dzięki wysokiej wierności procesu replikacji informacja genetyczna może być bezbłędnie przekazywana następnemu pokoleniu.

W bardzo długiej cząsteczce replikacja musi rozpoczynać się jednocześnie w wielu miejscach. Ponadto, z pewnych przyczyn, syntetyzowane mogą być tylko krótkie odcinki. Powstanie długiego łańcucha chromosomalnego DNA wymaga więc łączenia wielu krótkich fragmentów w jedną nić. Odpowiedzialny jest za to inny enzym: ligaza DNA, który katalizuje powstawanie wiązań między fragmentami DNA. Polimerazy DNA i ligazy odkryto - co nie jest zaskoczeniem, jeśli zna się ich ważną rolę - we wszystkich badanych komórkach.

Cząsteczki DNA podlegają rozmaitym rearanżacjom. Fragmenty DNA mogą być przeniesione w inne miejsce chromosomu, mogą również zostać utracone lub powtórzone. Często skutki tych zmian są niekorzystne dla organizmu. Czasami jednak powstaje nowa kombinacja genów - rodzaj ewolucyjnego eksperymentu. Wśród białek i enzymów zakodowanych we wszystkich genomach są i te, które uczestniczą w procesach rearanżacji. Podczas jednego z tych procesów, rekombinacji, zachodzi wymiana odcinków DNA między chromosomami homologicznymi. Zjawisko to występuje podczas mejozy. Rekombinacja polega na przecięciu i ponownym połączeniu nici DNA. Pamiętajmy, że sekwencje nukleotydowe w dwuniciowym DNA chromosomów homologicznych są bardzo do siebie podobne, a często wręcz identyczne. Różnią się tylko wtedy, gdy zawierają odmienne allele któregoś z genów. Pękanie i łączenie podczas rekombinacji zazwyczaj następuje w obrębie identycznych sekwencji nukleotydowych (często nazywanych sekwencjami homologicznymi) pary dwuniciowych cząsteczek.

DNA koduje również enzymy i inne białka zajmujące się naprawą uszkodzonego DNA. Ekspozycja komórek na światło ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie (X) oraz wiele czynników chemicznych powoduje różne zmiany w części zasadowej lub fosforanowo-cukrowej DNA. Komórka jest wyposażona w enzymy i inne białka, które usuwają takie uszkodzenia oraz błędy powstające podczas replikacji. Żywe organizmy wykształciły więc złożone mechanizmy zapewniające utrzymanie nienaruszalności swoich genomów.

Podobieństwa i różnice między DNA i RNA

N

RNA

ić RNA jest bardzo podobna do pojedynczej nici DNA. Są jednak między nimi istotne różnice. Po pierwsze, cukier zawarty w RNA to ryboza, a nie deoksyryboza (ryboza zawiera grupę -OH w miejscu atomu wodoru deoksyrybozy). Po drugie, zamiast tyminy (t) RNA zawiera uracyl (u). Nici RNA mają różną długość: od około 100 do kilku tysięcy nukleotydów. Nukleotydy połączone są tak samo jak w DNA: grupa fosforanowa łączy atom węgla 5'-rybozy z atomem 3'-rybozy sąsiedniego nukleotydu.

Większość kwasów nukleinowych w komórce to RNA. Jest go 5 do 10 razy więcej niż DNA. Są różne klasy RNA - zestawiono je w tabeli poniżej. Większość znajduje się we wszystkich komórkach i bierze udział w translacji, czyli syntezie białek. Najliczniej występującą klasą RNA jest rybosomowy RNA (rRNA), którego jest kilka różnych rodzajów. Występują one we wszystkich komórkach, jakkolwiek ich struktura u różnych gatunków jest odmienna. U danego gatunku każdy z rodzajów rRNA ma zawsze taką samą ściśle określoną sekwencję nukleotydową, tak więc każda z tysiąca jego kopii w każdej komórce organizmu jest identyczna. Natomiast cząsteczki informacyjnego RNA (mRNA od angielskiej nazwy messenger RNA) stanowią niesłychanie złożoną mieszaninę cząsteczek o najrozmaitszych sekwencjach nukleotydowych. Przyczyny różnic między poszczególnymi klasami RNA staną się jasne, kiedy omówimy funkcje, jakie pełnią one w komórce.

W odróżnieniu od DNA, cząsteczki komórkowego RNA są zwykle jednoniciowe, jednak wiele z nich zawiera krótkie sekwencje komplementarne do innych odcinków tej samej cząsteczki.

Komplementarne pary zasad w zwiniętej pojedynczej nici mogą ulec rozerwaniu w podwyższonej temperaturze, podobnie jak w przypadku podwójnej helisy DNA. RNA może tworzyć nawet długą podwójną helisę, jednak w komórkach sytuacje takie zdarzają się rzadko, ponieważ zazwyczaj nie ma w nich tak długich nici komplementarnych. W odróżnieniu od replikacji DNA, efektem syntezy RNA jest tylko jedna nić.

       W odpowiednich warunkach pojedyncze nici RNA i DNA o komplementarnych sekwencjach mogą utworzyć podwójną helisę RNA-DNA. Wtedy uracyle RNA łączą się z adeninami DNA, zaś adeniny RNA z tyminami DNA. Dzięki powstawaniu takich hybrydowych połączeń możliwe są najrozmaitsze laboratoryjne manipulacje kwasami nukleinowymi; na przykład stopień komplementarności sekwencji wyizolowanych RNA i DNA mierzy się sprawdzając ich zdolność do tworzenia podwójnej helisy RNA--DNA.

       Rycina poniżej pokazuje sposób, w jaki można oszacować stopień komplementarności między sekwencjami DNA i RNA.

Najpierw rozplata się (poddaje denaturacji) podwójną helisę DNA, umieszczając go w podwyższonej temperaturze. Następnie do roztworu DNA dodaje się RNA i obniża temperaturę. Cząsteczki łączą się wówczas ze sobą dzięki powstawaniu wiązań między zasadami w komplementarnych regionach DNA i RNA. Nie związane, niekomplementarne, jednoniciowe fragmenty są następnie usuwane za pomocą specjalnych enzymów. Ilość pozostającego kwasu nukleinowego w postaci podwójnej helisy świadczy o stopniu komplementarności badanych cząsteczek.

Sposób mierzenia stopnia komplementarności między cząsteczkami DNA i RNA

B

Białka

iałka są najważniejszymi składnikami organizmu determinującymi większość jego cech. Białka tworzą wielką enzymatyczną maszynerię prowadzącą syntezę DNA i RNA oraz zapewniającą utrzymanie procesów zdobywania energii i produkcji wszelkich związków niezbędnych do życia, wraz z mechanizmami regulującymi przebieg tych procesów, nawet syntezy własnych (białkowych) cząsteczek. Wchodzą one w skład wielu elementów strukturalnych, które decydują o kształcie i ruchliwości komórek i całych organizmów. Można powiedzieć, że żywe organizmy są tym, czym są dzięki zestawowi wytworzonych przez siebie białek.

Mniej więcej w tym samym czasie kiedy opracowywano model podwójnej helisy DNA, prowadzone były prace nad ostatecznym wyjaśnieniem struktury przestrzennej białek. Białka zbudowane są z jednego lub kilku łańcuchów, które podobnie jak kwasy nukleinowe, są długimi polimerami. Łańcuchy te noszą nazwę polipeptydów. Podobnie jak kwasy nukleinowe są polimerami nukleotydów, tak białka są liniowymi polimerami aminokwasów. W białkach żywych organizmów znaleziono dwadzieścia różnych aminokwasów. Wszystkie mają wspólną grupę atomów (kolor szary). Każdy z aminokwasów zawiera ponadto charakterystyczną dla siebie grupę chemiczną - łańcuch boczny (oznaczony na rycinie kolorem pomarańczowym). Ogniwa łańcucha polipeptydowego są połączone ze sobą silnymi wiązaniami chemicznymi między atomem węgla grupy karboksylowej:

jednego aminokwasu a atomem azotu grupy -NH2 (aminowej) sąsiedniego aminokwasu. Wiązanie to nosi nazwę wiązania peptydowego i stąd właśnie nazwa: „polipeptyd”.

Cząsteczka DNA - polimer, podjednostki = nukleotydy. Nukleotyd - cukier deoksyryboza, 5 atomów węgla + reszta kwasowa kw. Fosforowego + zasada pirymidynowa (tymina lub cytozyna) lub purynowa (adenina lub guanina). GEN - odcinek DNA kodujący informację o jednym łańcuchu polipeptydowy. ALLEL - odmiana genu występująca u osobnika, warunkująca określoną cechę (np. włoski na łodydze długie lub krótkie); osobnik ma w komórce dwie kopie genu, jeden lub dwa allele. GENOTYP - to, jakie osobnik ma allele. FENOTYP - to, jakie osobnik ma cechy. CHROMOSOM - struktura pałeczkowata, pojedyncza cząsteczka DNA, u bakterii jeden, luźno związany z białkami, u eukariontów wiele, związanych z wyspecjalizowanymi białkami; człowiek ma 46 chromosomów w każdej komórce z wyjątkiem gamet, gdzie 23. Gameta wnosi do zygoty jeden chromosom, w zygocie po dwa bo dwoje rodziców. GENOM - kompletny zestaw genów. KARTIOTYP - liczba chromosomów wraz z charakterystycznym ich ukształtowaniem, typowa dla gatunku; nieprawidłowy może świadczyć o chorobie genetycznej. LOCUS - dokładne umiejscowienie genu w chromosomie. I PRAWO MENDLA - PRAWO CZYSTOSCI GAMET, gamety dostają po jednym allelu z dwóch rodzicielskich. II PRAWO MENDLA - allele różnych genów nie są ze sobą sprzężone, różne geny dziedziczą się niezależnie od siebie. SPRZĘŻENIE GENÓW - łączne dziedziczenie się genów bardzo blisko położonych na chromosomie. SPRZĘŻENIE Z PŁCIĄ - położenie genów na chromosomie płciowym, geny takie nie mogą być dziedziczone z ojca na syna, mogą z ojca na córkę, np. gen daltonizmu, hemofilii. MUTACJE - wszelkie zmiany w strukturze genów, chromosomów lub kariotypu, z reguły pogarszające przeżywalność, ale w rzadkich wypadkach poprawiające. CZYNNIKI MUTAGENNE - fizyczne (temperatura, promieniowanie, UV) i chemiczne (barwniki akrydynowe, kwas azotawy, benzen) czynniki zwiększające znacznie prawdopodobieństwo zajścia mutacji. INŻYNIERIA GENETYCZNA - dziedzina inżynierii zajmująca się celowymi zmianami DNA w celu polepszenia wartości przemysłowej organizmów żywych, produkcji leków lub uleczenia z choroby.

---