39. Budowa i właściwości kwasów nukleinowych (narysuj schemat budowy DNA
DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) zawiera kompletną informacje o budowie cząsteczek białek i RNA, które z kolei determinują kompletną strukturę i wszystkie funkcje komórek oraz całych organizmów. Informacja ta zapisana jest w postaci liniowej sekwencji zasad. Budowa cząsteczki DNA umożliwia precyzyjne powielanie informacji genetycznej, bez którego nie byłoby możliwe rozmnażanie się organizmów i dziedziczenia cech.
DNA jest polimerem składającym się z długich, nierozgałęzionych łańcuchów polinukleotydowych. Zbudowane są one z jednostek zwanych deoksyrybonukleotydami (nukleotydami).
Każdy nukleotyd zawiera trzy części:
cukier (deoksyryboza),
jedną z czterech zasad azotowych oraz
grupę fosforanową.
Wspomniane zasady to adenina, guanina (G), tymina (T) lub cytozyna. Adenina (A) i cytozyna (C) są związkami dwupierścieniowymi (puryny), natomiast cytozyna i tymina jednopierścieniowymi (pirymidynami). W RNA tyminę zastępuje strukturalnie bardzo podobna pirymidyna - uracyl (U). W RNA cukrem jest ryboza, dlatego jego składniki nazywa się rybonukleozydami lub nukleozydami.
Informacje genetyczną koduje sekwencja zasad w polinukleotydach DNA (A,C,G,T/U). Sekwencję tę przedstawia się zawsze w kierunku 5'_3' . W takim właśnie kierunku tworzy się kopia cząsteczek DNA.
Cząsteczki DNA mają charakterystyczną strukturę przestrzenną, znaną jako dwuniciowa helisa. Strukturę DNA odkryli w roku 1953 Watson i Crick. Heliks DNA można porównać do skręconej spiralnie drabiny, której szczeble tworzą oddziaływujące na siebie zasady, natomiast pionowe listwy - związki cukrowo-fosforanowe. Antyrównoległe łańcuchy DNA są okręcone wokół siebie prawoskrętnie. Antyrównolegle to znaczy że jeden łańcuch biegnie od 5'-3', a drugi 3'-5'. Na jeden obrót helisy DNA przypada 10 par zasad.
Zasady dwóch łańcuchów polinukleotydowych wzajemnie ze sobą oddziaływują. Zawsze tymina oddziaływuje z adeniną, a guanina z cytozyną. Pomiędzy zasadami tworzą się wiązania wodorowe, stabilizujące te oddziaływania. Wiązania G-C są silniejsze od A-T, z uwagi na trzy a nie dwa wiązania wodorowe. Mogą one ulec przerwaniu na skutek działania wysokich temperatur lub niektórych związków chemicznych. Powoduje to rozdzielenie się obu nici helisy: cząsteczki które uległy temu procesowi są określane jako zdenaturyzowane, W komórkach istnieją enzymy, które rozdzielają nici helisy, co jest konieczne do kopiowania DNA oraz ekspresji informacji genetycznej.
Komplementarne parowanie zasad - sposób w jaki zasady dwóch nici DNA łączą się w pary
40. Genom
Genom to całkowity DNA komórki, obejmujący zarówno wszystkie geny jak i odcinki miedzygenowe.
Genom jest strukturą nieaktywną. Przechowywana jest w nim informacja, sam nie ma jednak zdolności do przekazywania tej informacji do komórki. Genom posiada informację genetyczną potrzebną do powstania tego organizmu i utrzymania go przy życiu.
Genom człowieka zawiera około 80000 genów ale kodujące geny stanowią tylko 3% genomu.
Większość genomów jest zbudowana z DNA, ale niektóre wirusy mają genomy zbudowane z RNA
41. Replikacja DNA (inicjacja, elongacja, terminacja, widełki replikacyjne)
Replikacja genomowego DNA zachodzi w czasie każdego podziału komórkowego.
Replikacja DNA jest procesem zapewniającym przekazywanie niezmienionej informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do potomnych. Proces ten przebiega w sposób bardzo precyzyjny. Istnieje cały system ochronny pozwalający na wykrycie i naprawę błędów w DNA powstałych podczas replikacji komórki.
Synteza nowych nici DNA może zachodzić tylko z udziałem nici rodzicielskich. W wyniku replikacji otrzymuje się dwie identyczne dwuniciowe cząsteczki DNA, z których każda zawiera jedną nić pierwotną i jedną nowo zsyntetyzowaną (replikacja jest procesem semikonserwatywnym).
Replikację przeprowadzają enzymy - polimerazy DNA. Syntetyzują one nową nić DNA komplementarnie w stosunku do nici służącej jako matryca. Synteza przebiega zawsze od 5' do 3'
Proces replikacji DNA został podzielony na 3 odrębne fazy: inicjacja, elongacja i terminacja
Inicjacja - rozpoznanie miejsca (lub miejsc) w obrębie cząsteczki DNA, od którego (od których) replikacja się zaczyna
Elongacja - obejmuje procesy związane z działaniem widełek replikacyjnych podczas kopiowania rodzicielskich łańcuchów polinukleotydowych.
Terminacja - proces kończenia i ostatecznego kompletowania nowych łańcuchów DNA
Inicjacja syntezy DNA zaczyna się zawsze w tym samym określonym miejscu (lub miejscach) cząsteczki DNA. Miejsce to nazywamy regionem inicjacji replikacji. Po inicjacji widełki replikacyjne przesuwają się w przeciwnych kierunkach wzdłuż replikowanej cząsteczki DNA. U eukariotów liczby nukleotydów kopiowanych przez jedną parę widełek replikacyjnych są mniejsze niż u prokariotów gdyż organizmy te posiadają wiele miejsc inicjacji. W czasie replikacji DNA oba łańcuchy podwójnej helisy muszą ulegać kopiowaniu. Polimerazy DNA są zdolne do syntezy DNA tylko w kierunku 5'-3'. Oznacza to, że tylko jedna nić zwana nicią prowadzącą może być kopiowana w sposób ciągły. Druga nić zwana nicią opóźnioną jest kopiowana w formie krótkich fragmentów.
Obecność startera jest bezwarunkową koniecznością w replikacji DNA. Startery do replikacji zbudowane są z RNA. Startery są syntetyzowane przez specyficzne rodzaje polimerazy DNA. Do wykształconego startera przyłącza się główny enzym replikacyjny DNA -polimeraza DNA innego typu niż ta, która brała udział w syntezie starterów . Na nici opóźnionej synteza starterów musi być procesem powtarzalnym zachodzącym przy każdej inicjacji nowego fragmentu Okazaki.
Synteza fragmentu DNA u eukariotów kończy się w momencie napotkania przez polimerazę DNA następnego startera RNA. W komórkach bakterii oraz niektórych plazmidów miejsce zakończenia replikacji jest zdefiniowane przez specyficzne sekwencje "ter". Na tym etapie polimeraza DNA usuwa już niepotrzebny starter RNA i zastępuje go DNA.
Widełki replikacyjne
DNA przed skopiowaniem musi zostać odwinięty z nukleosomów. Za rozplecenie helisy DNA odpowiedzialny jest enzym zwany helikazą. Po rozdzieleniu nici DNA białka SSB wiążą się z jednoniciową DNA zapobiegając odtworzeniu dwuniciowej helisy. Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy DNA tworzą widełki replikacyjne.
Czas potrzebny na odwinięcie się nici DNA z nukleosomów ogranicza szybkość przesuwu widełek do 50 par zasad na sekundę. Po zakończeniu replikacji nowe nukleosomy są odtwarzane z mieszaniny starych i nowo syntetyzowanych histonów.
Jeżeli replikacja DNA rozpoczyna się wewnątrz dwuniciowej struktury chromosomów liniowych lub kolistych, widełki replikacyjne tworzą strukturę "oczka replikacyjnego", powiększającego się w miarę oddalania widełek.
Fragmenty Okazaki
Ponieważ obie nici matrycowego DNA są zorientowane względem siebie w przeciwnych kierunkach i są kopiowane równocześnie tylko jedna nić DNA może być wydłużana w sposób ciągły, zgodnie z przesuwaniem się widełek. Druga musi być syntetyzowana w postaci krótkich fragmentów (tzw. fragmentów Okazaki), łączących się następnie w jedną nić.
W komórkach eukariotycznych odcinek Okazaki zawiera około 200 nukleotydów. Wskazuje to, iż każdy odcinek Okazaki odpowiada replikacji fragmentu DNA obejmującego pojedynczy nukleosom (140-150 bp nici DNA owiniętej wokół histonowego jądra nukleosomu plus odcinek 50-70 bp łączący poszczególne nukleosomy.
Końcowy etap syntezy nici opóźnionej polegający na łączeniu ze sobą fragmentów Okazaki katalizowany enzymem zwanym ligazą DNA nazywamy LIGACJĄ.
42. Replikacja nici opóźnionej
Nić syntetyzowana w sposób nieciągły - nici opóźnionej
Druga nić zwana nicią opóźnioną jest kopiowana w formie krótkich fragmentów
43. Replikacja telomerów
Końce liniowych chromosomów nie mogą być w pełni zreplikowane za pomocą nieciągłej replikacji z powodu braku miejsca dla startera RNA. Końce chromosomów eukariotycznych (telomery) są zbudowane z wielu kopii prostej, nieinformacyjnej sekwencji z końcem 3' wystającym poza koniec 5' . Enzym telomeraza zawiera krótką cząsteczkę RNA, w części komplementarną do sekwencji telomerowych. RNA działa jako matryca do syntezy tych powtórzeń na wystającym końcu 3'. Koniec nici opóźnionej (5') zostaje skopiowany przy wykorzystaniu jako matrycy wydłużonej nici wiodącej. Proces wydłużania może zachodzić setki razy aż do oddysocjowania telomerazy. Proces wydłużania i skracania chromosomów jest zrównoważony, dzięki czemu chromosomy pozostają jednakowej długości.
W komórkach somatycznych aktywność telomerazy jest hamowana, co prowadzi do skracania się chromosomów w kolejnych podziałach. Gdy skracanie dochodzi do obszarów DNA zawierających informację, komórki zamierają.
DNA eukariotryczny jest zorganizowany w pętle (domeny). Pętle tworzą odcinki włókna chromatynowego (do 20 tysięcy par zasad), dołączone u podstawy do struktury zbudowanej prawie wyłącznie z nierozpuszczalnych włókien białkowych zwanej matriks jądrową
44. Mutacje
Mutacje są to dziedziczne stałe zmiany normalnej sekwencji DNA, spowodowane działaniem czynników fizycznych, chemicznych lub błędami w replikacji DNA.
Mutacje DNA są powodem chorób genetycznych i nowotworów Choroby genetyczne są powodowane przez mutacje dziedziczne. Zwykle dotyczą pojedynczego genu.
Uszkodzenia DNA mogą być mutagenne i/ lub letalne
Nagromadzenie się wielu cichych mutacji i nieletalnych mutacji w populacjach powoduje powstawanie polimorfizmu genetycznego.
Mutacje dziedziczne powstają w komórkach zarodkowych, nowotworowe w komórkach somatycznych.
Organizm o fenotypie zmienionym w wyniku mutacji nazywamy mutantem.
Mutacja punktowa - polega na zmianie pojedynczej zasady
Większe mutacje - zmiana więcej niż jednej zasady DNA
Mutageny fizyczne - promieniowanie jonizujące i niejonizujące (promienie X , UV)
Mutageny chemiczne - analogi zasad lub inne związki chemiczne mogące reagować z DNA i zmieniać jego właściwości.
Mutacje mogą zachodzić również spontaniczne na skutek chemicznej reakcji DNA z kilkoma rodzajami związków chemicznych występujących normalnie w komórce.
45.Omów na rysunku ogólny przebieg ekspresji genów
Tradycyjny obraz ekspresji genów to: transkrypcja i translacja "DNA tworzy RNA, który tworzy białko".
Bardziej precyzyjny obraz uwzględnia następujące etapy:
1.Utworzenie kompleksu transkrypcyjnego
2.Transkrypcję (inicjacja, elongacja i terminacja)
3.Dojrzewanie RNA
4.Inicjację translacji, degradację RNA
5.Translację (elongację i terminację)
6.Zmiany potranslacyjne białka
7.Zwijanie się białka
8.Ew. degradację białka
Niektóre geny są matrycą dla RNA nie kodującego białek, jak np. RNA rybosomowego i RNA transportującego.
Gen jest odcinkiem chromosomu przepisywanym na RNA. Jeżeli RNA jest transkryptem genu kodującego białko, to nazywa się informacyjnym DNA (mRNA).
Część genu, która ulega translacji na białko, nazywa się otwartą ramką odczytu (ORF). Każda trójka nukleotydów w ORF jest kodonem określającym aminokwas zgodnie z zasadami kodu genetycznego. ORF zaczyna się kodonem inicjującym a kończy terminacyjnym
46. Inicjacja transkrypcji
Inicjacja transkrypcji obejmuje budowanie na DNA, w pobliżu początku genu, kompleksu złożonego z polimerazy RNA i różnych dodatkowych białek. W wyniku aktywności tego kompleksu powstaje transkrypt RNA - kopia genu. Ważną częścią tego etapu są mechanizmy decydujące o rozpoczęciu procesu transkrypcji genu.
Transkrypt - kopia genu składającego się z RNA
Polimeraza RNA jest enzymem odpowiedzialnym za transkrypcję, syntetyzuje cząsteczki RNA
Promotor -położona powyżej genu sekwencja nukleotydowa, z którą wiąże się polimeraza RNA w czasie inicjacji transkrypcji
47. Rodzaje RNA, budowa i funkcje w komórce
Wyróżniamy RNA kodujący i niekodujący.
RNA KODUJĄCY
mRNA (RNA informacyjne) są transkryptami genów kodujących białka i ulegają translacji do białek w drugim etapie ekspresji genomu. mRNA stanowi do 4% całego RNA
mRNA podlega dojrzewaniu poprzez dołączenie pojedynczego, nietypowego nukleotydu tzw. czapeczki, poliadenylację i wycięcie intronów
Degradacja mRNA jest procesem, który usuwa kodujące cząsteczki RNA, kiedy ich produkty nie są dłużej potrzebne
RNA NIEKODUJĄCY obejmuje transkrypty o różnych funkcjach: RNA transportujące i RNA rybosomowe
tRNA (transportujący)- małe cząsteczki, biorące udział w biosyntezie białka dostarczające aminokwasy do rybosomu i zapewniające ich łączenie w kolejności zapisanej w sekwencji nukleotydowej mRNA, który ulega translacji.
rRNA (rybosomowy)-jest składnikiem rybosomów - struktur na których odbywa się biosynteza białka.
Transkryptom -cała zawartość RNA w komórce
Eukariotyczne RNA stale przemieszczają się z jądra do cytoplazmy i prawdopodobnie odwrotnie przez kompleksy porów jądrowych.
48.Translacja (inicjacja, elongacja i terminacja ,budowa rybosomów)
Translacja odbywa się na rybosomach. Zakończeniem procesu inicjacji jest przyłączenie się dużej podjednostki rybosomowej. W miarę przesuwania się mRNA wzdłuż rybosomu (podobnie do taśmy magnetofonowej przechodzącej przez głowicę ) wydłuża się łańcuch polipeptydowy (białkowy). Pojawienie się wolnego odcinka 5' mRNA umożliwia przyłączenie się kolejnego rybosomu i syntezę identycznego polipeptydu. Napotkanie przez rybosom kodonu "stop" powoduje uwolnienie gotowego białka, a rybosom dysocjuje na podjednostki. W rybosomie znajdują się dwa miejsca wiązania dla tRNA. W miejscu P (peptydylowym) znajduje się cząsteczka tRNA związana z rosnącym łańcuchem polipeptydowym, natomiast w miejscu A (aminoacylowym) znajduje się cząsteczka związana z kolejnym aminokwasem. Transferowe RNA są związane z rybosomem w ten sposób, , że ich kodony parują się zawsze z dwoma sąsiadującymi kodonami przesuwającego się względem rybosomu mRNA . Koniec translacji następuje w momencie, gdy kodon terminacyjny znajdzie się w miejscu A. Jak już wspomniano, po terminacji rybosom dysocjuje na podjednostki.
Elongacja- jeden z etapów translacji, podczas którego dodawane są kolejne aminokwasy do rosnącego łańcucha polinukleotydowego.
Terminacja- jeden z etapów translacji, podczas którego czynnik terminacyjny doprowadza do uwolnienia kompletnego polipeptydu (białka).
Celem inicjacji jest zorganizowanie się kompletnego rybosomu na cząsteczce mRNA we właściwym punkcie startu-kodonie inicjatorowym. U organizmów wyższych do inicjacji niezbędne są: duża i mała podjednostka rybosomowa, mRNA, inicjatorowy tRNA, czynniki inicjujące oraz GTP. Translacja rozpoczyna się wiązaniem małej jednostki rybosomowej z mRNA (u organizmów wyższych w miejscu "czapeczki" na końcu 5'). Następnie podjednostka rybosomowa przesuwa się do kodonu inicjującego AUG, gdzie tworzy kompleks inicjujący.
Rybosomy są makrocząsteczkowymi strukturami, złożonymi z rRNA i związanych z nim białek. Każdy rybosom składa się z dwóch podjednostek: dużej i małej. Cząsteczki rRNA tworzą wewnętrzny szkielet rybosomu, do którego przyłączają się białka.
Rybosomy występują w cytoplazmie, gdzie wiążą informacyjne RNA (mRNA), i przeprowadzają ich translację, czyli syntetyzują białka.
49.Kod genetyczny
Informacja genetyczna jest zapisana w cząsteczce DNA w postaci sekwencji zasad.
Kod genetyczny - są to 64 trójki zasad, zwane kodonami, odpowiadające za wprowadzenie 20 aminokwasów do polipeptydów (białek).
Kodony określające ten sam aminokwas nazywamy kodonami synonimowymi. Spośród 64 możliwych kodonów, 61 koduje aminokwasy.
Kodony UAG, UGA i UAA są kodonami terminacyjnymi (stop), dajacymi sygnał do zakończenia translacji.
AUG jest sygnałem startu translacji i nazywany jest kodonem inicjującym (start)
Jak wspomniano, część genu kodującego białko, która ulega translacji na białko nazywa się otwartą ramką odczytu (ORF). ORF jest odczytywany w kierunku od 5' do 3' wzdłuż RNA. Zaczyna się kodonem inicjującym (promotor, start) i kończy terminacyjnym. Część mRNA przed ORF nazywa się liderem.
50.Potranslacyjna obróbka białek
Proces ekspresji genu nie kończy się na etapie translacji. Białko uwolnione z rybosomu jest nieaktywne i zanim zacznie spełniać swoją rolę w komórce, musi zostać poddany przynajmniej pierwszemu z czterech typów mechanizmów obróbki potranslacyjnej
1.Fałdowanie białka. Polipeptyd musi zostać sfałdowany w prawidłową strukturę trzeciorzędową
2.Proteolityczne rozszczepienie białka. Obróbka niektórych białek polega na cięciu przez enzymy (proteazy). Cięcie powoduje skrócenie polpeptydu z jednej lub obu stron, albo cięcie na kilka aktywnych segmentów
3.Modyfikacje chemiczne. Poszczególne aminokwasy w polipeptydzie mogą być modyfikowane przez przyłączanie nowych grup chemicznych
4.Wycinanie intein. Inteiny są sekwencjami "przerywającymi" w białkach, podobnie jak introny w mRNA. Aby białko stało się aktywne, inteiny muszą być usunięte , a eksteiny połączone ze sobą
Różne typy obróbki białka mogą zachodzić jednocześnie
Populacja RNA w komórce zmienia się w czasie
Eukariotyczne RNA stale przemieszczają się z jądra do cytoplazmy i prawdopodobnie odwrotnie przez kompleksy porów jądrowych
Geny na chromosomach mogą być rozproszone lub zorganizowane w grupy
Występują dwa rodzaje zespołów genów: operony i rodziny wielogenowe
Operony występują u bakterii. Kodują białka, których funkcje są ściśle powiązane
Rodziny wielogenowe
Proste rodziny wielogenowe zawierają identyczne geny (geny rybosomowego DNA u człowieka występują w ponad 2000 kopii)
złożone rodziny wielogenowe zawierają geny podobne ale nie identyczne.
51. Mapowanie genomów
Mapowanie genetyczne - dotyczy konstruowania map pokazujących pozycję genów i innych charakterystycznych sekwencji w genomie.
W mapowaniu genetycznym wykorzystuje się krzyżowanie organizmów i analizę rodowodów
Obecnie jako markery używa się nie tylko geny, lecz markery DNA
Podstawą mapowania genetycznego jest obliczanie częstości rekombinacji
Mapa genetyczna musi pokazywać pozycje poszczególnych genów w stosunku do określonych wyznaczników (markerów)
Mapowanie fizyczne - konstruowanie map z wykorzystaniem technik biologii molekularnej (badania cząstek DNA) umożliwiające pokazanie pozycji różnych typów sekwencji z genami włącznie.
Mapowane cechy nie będące genami nazywa się markerami DNA. Tak jak markery genowe, aby były użyteczne muszą występować w przynajmniej dwóch formach allelicznych.
52. PRIONY
Priony - białkowe cząstki zakaźne.
Priony są przyczyną chorób neurologicznych jak gąbczaste zapalenie mózgu u bydła, możliwe do przeniesienia na człowieka
Priony teoretycznie zaprzeczają poglądowi, ze cząstki zakaźne jak np. wirusy muszą mieć genom kwasu nukleinowego co dopiero zapewnia im replikację. Priony są więc jakby "białkową" formą życia.
Priony są zwykłymi białkami posiadającymi kodujące je geny. Przypuszcza się, że są niezbędne dla prawidłowego przekazywania sygnałów mózgu.
Właściwości zakaźne wynikają z ich występowania w dwóch formach strukturalnych: helisy i harmonijki. Obie mają tę samą budowę chemiczną (identyczne sekwencje aminokwasowe). Z nieznanych powodów mają zdolność do przekształcania się ze zwykłej formy w harmonijkową. Forma harmonijkowa tworzy nierozpuszczalne płytki znajdowane w mózgach chorych ludzi i zwierząt. Pojawienie się pojedynczej cząsteczki harmonijkowej może wywołać zmianę kolejnych płytek w harmonijki i powstawanie choroby. Badanie związków ewolucyjnych między białkami prionów wskazuje na nieoczekiwany przykład ewolucji zbieżnej białek ludzkich i bydlęcych.