w
Budowa kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA)
Struktura chemiczna
Kwasy nukleinowe sà zwykle d∏ugimi, nierozga∏´zionymi poli-
merami. Ich podstawowà jednostkà budulcowà jest
nukleotyd.
W sk∏ad nukleotydu DNA wchodzà:
•
jedna z czterech organicznych zasad azotowych:
adenina (A), guanina (G), cytozyna (C), tymina (T),
•
cukier pi´ciow´glowy – deoksyryboza,
•
reszta fosforanowa.
Poszczególne nukleotydy ∏àczà si´ ze sobà w ten sposób, ˝e
reszta fosforanowa jednego nukleotydu tworzy wiàzanie
z czàsteczkà cukru kolejnego – tak powstaje d∏uga czàstecz-
ka zbudowana z wielu nukleotydów, czyli
∏aƒcuch polinu-
kleotydowy.
W roku 1869
wyizolowano nieznanà
wczeÊniej substancj´
organicznà. Nazwano jà
nukleinà, poniewa˝ jej
êród∏em by∏y
jàdra leukocytów
(∏ac. nucleus – jàdro).
Substancja ta okaza∏a si´
niejednorodna, jej sk∏ad
uda∏o si´ ustaliç dopiero
po wielu latach badaƒ.
W 1889 roku
wyizolowano jej
sk∏adnik o charakterze
kwasowym i nazwano go
kwasem nukleinowym.
Na poczàtku XX stulecia
ustalono, ˝e
w komórkach wyst´pujà
dwie odmiany kwasów
nukleinowych: kwas
deoksyrybonukleinowy
(DNA) i rybonukleinowy
(RNA).
3
Budowa i rola
kwasów nukleinowych
C H
P O D S T A W Y
D Z I E D Z I C Z E N I A
Rys. 15.
Deoksyryboza.
Rys. 14.
Zasady azotowe.
WÊród zasad azotowych wyró˝nia si´ jednopierÊcieniowe zasady
pirymidynowe (cytozyna i tymina) oraz dwupierÊcieniowe zasady
purynowe (adenina i guanina).
NH
2
CH
3
N
N
H
O
O
cytozyna
(C)
cytozyna
(C)
tymina
(T)
tymina
(T)
HN
N
H
O
adenina
(A)
adenina
(A)
NH
2
N
N
N
H
N
guanina
(G)
guanina
(G)
H
2
N
O
HN
N
N
H
N
1
2
3
4
5
O
OH
H
H
OH
H
H
HOCH
2
H
Budowa przestrzenna
Kompletny przestrzenny model budowy czà-
steczki DNA opracowali dopiero w latach
1951–1953 James Watson oraz Francis Crick
(fot. 6), za co w 1962 r. otrzymali Nagrod´ No-
bla. Skonstruowali oni model zgodny z danymi
uzyskanymi z analizy zdj´ç rentgenowskich
DNA. Odkrycie struktury DNA pozwoli∏o na
wyjaÊnienie jego znanych ju˝ wówczas w∏a-
ÊciwoÊci, m.in. zdolnoÊci do
replikacji (samo-
powielania) i przenoszenia informacji gene-
tycznej.
Czàsteczka DNA sk∏ada si´ z dwóch ∏aƒcu-
chów polinukleotydowych (rys. 19 a) skr´co-
nych Êrubowo (helikalnie) wokó∏ wspólnej osi
(rys. 19 b). Struktura ta nosi nazw´
podwójnej
helisy i utrzymuje si´ dzi´ki licznym wiàzaniom wodorowym mi´dzy zasadami azo-
towymi wchodzàcymi w sk∏ad obu ∏aƒcuchów. Czàsteczki deoksyrybozy oraz reszty
27
P
O
–
O
–
O
O
O
H
H
OH
H
H
HOCH
2
H
NH
2
N
N
N
N
CH
2
P
O
–
O
–
O
O
O
H
H
OH
H
H
H
NH
2
N
N
N
N
Rys. 17.
Reszta fosforanowa(V).
Reszty fosforanowe(V) nadajà czàsteczkom kwasów nu-
kleinowych w∏aÊciwoÊci kwasowe, a tak˝e ujemny ∏adu-
nek elektryczny (kwasy odszczepiajà kationy wodoru H
+
,
co sprawia, ˝e reszta kwasowa staje si´ anionem).
Rys. 16.
Nukleozyd DNA – deoksyadenozyna.
Po∏àczenie zasady azotowej z czàsteczkà cukru nosi na-
zw´ nukleozydu. W zale˝noÊci od rodzaju zasady azoto-
wej, w czàsteczce DNA wyró˝nia si´ cztery typy deoksy-
nukleozydów. Sà to: deoksyadenozyna, deoksyguanozyna,
deoksycytydyna, deoksytymidyna.
Rys. 18.
Nukleotyd DNA – fosforan(V) deoksyadenozyny.
Nukleotyd powstaje przez przy∏àczenie do nukleozydu
reszty fosforanowej(V).
Fot. 6.
James Watson i Francis Crick.
fosforanowe(V) tworzà zewn´trznà stron´ helisy, a zasady azotowe sà skierowane do
jej wn´trza. Budowa zasad, podobnie jak ich wzajemne u∏o˝enie, sprzyjajà tworze-
niu si´ wiàzaƒ wodorowych wy∏àcznie mi´dzy odpowiednimi, tzn. komplementarny-
mi zasadami azotowymi (A i T oraz C i G), przy czym:
•
mi´dzy adeninà a tyminà powstajà dwa wiàzania wodorowe,
•
mi´dzy cytozynà a guaninà powstajà trzy wiàzania wodorowe.
Z komplementarnoÊci zasad A i T oraz C i G wynika, ˝e stosunek molowy adeniny do
tyminy oraz cytozyny do guaniny w DNA dowolnego pochodzenia wynosi zawsze
1 : 1 (regu∏a Chargaffa). Ten wysoce swoisty sposób ∏àczenia si´ zasad azotowych
sprawia, ˝e oba ∏aƒcuchy polinukleotydowe DNA sà wzajemnie komplementarne,
tzn. pasujà do siebie jak klucz do zamka.
Orientacja komplementarnych ∏aƒcuchów DNA
Koƒce ∏aƒcucha polinukleotydowego nie sà jednakowe. Na jednym z nich, w pozycji 5’
(tzn. przy piàtym atomie w´gla deoksyrybozy), znajduje si´ reszta fosforanowa, natomiast
na drugim, w pozycji 3’ (tzn. przy trzecim atomie w´gla deoksyrybozy), wyst´puje grupa
hydroksylowa –OH. Cecha ta sta∏a si´ podstawà do rozró˝niania obu koƒców ka˝dego
∏aƒcucha DNA i nazwania ich odpowiednio koƒcem 5’ i koƒcem 3’ (rys.20). Opisana
orientacja (polarnoÊç) ∏aƒcucha polinukleotydowego wynika ze specyfiki tworzenia wià-
zaƒ mi´dzy kolejnymi nukleotydami, a w∏aÊciwie mi´dzy nale˝àcymi do nich resztami
fosforanowymi(V) i czàsteczkami cukru. Fosforan(V) przy w´glu 5’ deoksyrybozy jedne-
go nukleotydu ∏àczy si´ jednoczeÊnie z deoksyrybozà nast´pnego nukleotydu przy jej
w´glu 3’ itd. W rezultacie grupy hydroksylowe le˝àce przy w´glach 5’ i 3’ czàsteczki
28
Rys. 19.
Budowa czàsteczki DNA:
a
– sposób po∏àczenia ∏aƒcuchów polinukleotydowych,
b
– podwójna helisa.
3,4 nm
3’
5’
3’
5’
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
3’
5’
5’
3’
G
C
T
A
C
G
A
T
A
T
G
C
T
A
G
C
C
G
C
G
reszta fosforanowa(V)
zasada azotowa
deoksyryboza
a
b
ka˝dej deoksyrybozy zostajà wykorzystane do wytworzenia wiàzania z resztà fosforano-
wà(V) nale˝àcà do tego samego oraz sàsiedniego nukleotydu.
W czàsteczce DNA naprzeciw koƒca 3’ jednego ∏aƒcucha podwójnej helisy le˝y ko-
niec 5’ komplementarnego ∏aƒcucha polinukleotydowego, dlatego okreÊla si´ je jako
przeciwnie zorientowane (przeciwbie˝ne) – p. rys. 19.
w
DNA noÊnikiem informacji genetycznej
DNA zawiera informacj´ genetycznà, czyli swoisty zapis okreÊlajàcy struktur´ zakodowa-
nych bia∏ek, a wi´c liczb´, rodzaj oraz kolejnoÊç aminokwasów wchodzàcych w ich sk∏ad.
c
KolejnoÊç (sekwencja) nukleotydów w DNA decyduje o kolejnoÊci ami-
nokwasów w ∏aƒcuchu bia∏ka.
Trudno sobie wyobraziç, w jaki sposób sekwencja zaledwie czterech ró˝nych typów
nukleotydów mo˝e byç noÊnikiem informacji, ale nawet tekst tego podr´cznika da∏o-
by si´ zapisaç alfabetem Morse’a, w którym przecie˝ wyst´pujà zaledwie dwa rodzaje
znaków: kropka i kreska. Alfabet s∏u˝àcy kodowaniu informacji w czàsteczkach kwa-
sów nukleinowych jest wi´c bogatszy w porównaniu z alfabetem Morse’a, choç znacz-
nie ubo˝szy od alfabetu ∏aciƒskiego. Z dwudziestu kilku liter tego alfabetu mo˝na z∏o-
˝yç tekst podr´cznika, gazety, scenariusza filmu, ksià˝ki telefonicznej czy tomiku
poezji. Litery sà zawsze takie same, a o rodzaju zawartej w tekÊcie informacji decydu-
je kolejnoÊç, w jakiej zosta∏y u˝yte. Podobnie sekwencja zasad azotowych wchodzà-
cych w sk∏ad nukleotydów budujàcych fragment czàsteczki DNA decyduje o treÊci za-
wartej w nim informacji, czyli o budowie i w∏aÊciwoÊciach okreÊlonego bia∏ka.
29
P
O
O
O
H
H
CH
2
5’
3’
5’
3’
5’
3’
H
H
Reszta fosforanowa
∏àczy grup´
3’ hydroksylowà
jednej deoksyrybozy
z grupà 5’ hydroksylowà
sàsiedniej
H
CH
2
H
P
O
O
–
O
koniec 5’
koniec 3’
O
P
O
O
–
O
O
H
H
CH
2
H
O
OH
O
–
O
O
NH
2
N
N
O
NH
2
N
N
O
CH
3
O
HN
N
O
H
H
H
H
H
H
Rys. 20.
Fragment pojedynczego ∏aƒcucha polinukleotydowego DNA.
w
Wyst´powanie DNA
W komórkach eukariotycznych DNA wyst´puje g∏ównie w jàdrze komórkowym (jego
niewielkie iloÊci zawarte w mitochondriach i chloroplastach kodujà zaledwie oko∏o
10% bia∏ek tych organelli).
Czàsteczki DNA sà zwykle bardzo d∏ugie. Na przyk∏ad w jàdrze komórki cz∏owieka
∏àczna ich d∏ugoÊç si´ga 2 m. Sk∏ada si´ na nià niemal 6 mld nukleotydów. D∏ugie
czàsteczki DNA mieszczà si´ w jàdrze o niewielkiej Êrednicy (sà „upakowane”) dzi´-
ki oddzia∏ywaniom ze swoistymi bia∏kami.
W komórkach prokariotycznych DNA wyst´puje zwykle w postaci kolistej czàsteczki
(tzw. genoforu) zanurzonej w cytoplazmie. Niektóre bakterie zawierajà ponadto nie-
wielkie czàsteczki DNA zwane plazmidami. Nie sà one niezb´dne do funkcjonowa-
nia komórki, cz´sto jednak zawierajà geny warunkujàce opornoÊç na antybiotyki, stàd
ich u˝ytecznoÊç w pewnych Êrodowiskach ˝ycia bakterii.
Kwas deoksyrybonukleinowy stanowi tak˝e istotny sk∏adnik niektórych wirusów. Wy-
st´puje on tam w postaci pojedynczej czàsteczki chronionej przez bia∏kowà otoczk´.
w
Replikacja DNA
Ogólny przebieg replikacji
KomplementarnoÊç obu nici DNA jest warunkiem jego unikatowej w∏aÊciwoÊci –
zdolnoÊci do powielania si´ (replikacji). Jest to proces zachodzàcy przed podzia∏em
komórki, w którego wyniku z jednej czàsteczki DNA powstajà dwie identyczne z nià
czàsteczki potomne (rys. 22).
Do rozpocz´cia replikacji niezb´dne jest lokalne rozdzielenie dwóch nici macierzystej
czàsteczki DNA. Powstajà w ten sposób tzw.
wide∏ki replikacyjne. Nast´pnie do ka˝dej
z nici przy∏àczajà si´ komplementarne nukleotydy, co ostatecznie prowadzi do wytwo-
rzenia dwóch identycznych czàsteczek DNA. W sk∏ad ka˝dej z nich wchodzi jedna niç
„stara”, tj. pochodzàca z czàsteczki macierzystej, oraz jedna niç nowo zsyntetyzowana,
dlatego replikacj´ okreÊla si´ jako
pó∏zachowawczà, czyli semikonserwatywnà.
Enzymem katalizujàcym reakcje przy∏àczania si´ nukleotydów jest
polimeraza DNA
(replikaza), choç tak naprawd´ nie jest to proces polimeryzacji, lecz polikondensacji,
30
Rys. 21.
Wyst´powanie DNA:
a
– w komórce prokariotycznej,
b
– w roÊlinnej komórce euka-
riotycznej,
c
– w pojedynczej czàstce wirusa.
Ca∏oÊç DNA zawierajàcego kompletnà informacj´ genetycznà organizmu lub wirusa nosi na-
zw´
genomu. Genomy wirusów, komórek prokariotycznych i komórek eukariotycznych znacz-
nie ró˝nià si´ wielkoÊcià. Do najmniejszych nale˝à genomy wirusów.
genofor
plazmidy
jàdro komórkowe
mitochondrium
chloroplasty
genom wirusa
poniewa˝ ∏àczenie nukleotydów nie polega na wysyceniu podwójnych wiàzaƒ, ale na
wydzieleniu czàsteczek wody z grup hydroksylowych.
Polimeraza DNA u organizmów prokariotycznych wykazuje równie˝ w∏aÊciwoÊci na-
prawcze, dzi´ki którym rozpoznaje, wycina i zast´puje prawid∏owym nukleotyd b∏´d-
nie wbudowany do nowo syntetyzowanej nici DNA. W komórkach eukariotycznych
mechanizmy naprawiajàce b∏´dy replikacji sà o wiele bardziej skomplikowane.
Wytworzenie po∏àczeƒ mi´dzy nukleotydami wymaga dostarczenia niezb´dnej iloÊci
energii. Do replikacji sà wi´c wykorzystywane nukleotydy zawierajàce zamiast jed-
nej, trzy reszty fosforanowe. W czasie reakcji nast´puje rozerwanie dwóch wysoko-
energetycznych wiàzaƒ ∏àczàcych reszty fosforanowe(V), a w rezultacie uwolnienie
potrzebnej energii (rys. 23).
31
C
G
T
A
A
T
G
C
A
T
T
A
C
G
A
T
T
A
C
G
C
G
G
C
A
A
T
T
A
T
A
T
T
A
C
G
G
C
A
T
T
A
A
T
T
A
wide∏ki replikacyjne
nowa niç
nowa niç
niç macierzysta
niç macierzysta
3’
5’
3’
5’
3’
5’
5’
3’
polimeraza DNA
polimeraza DNA
meraza D
meraza D
Rys. 22.
Replikacja DNA.
Rys. 23.
Mechanizm syntezy komplementarnego ∏aƒcucha DNA.
reszta fosforanowa(V)
zasada azotowa
deoksyryboza
polimeraza DNA
energia
P
C
G
P
G
C
P
P
P
P
C
G
P
T
P
P
G
P
C
G
P
G
C
P
P
P
G
P
T
P
G
P
P
P
C
P
P
P
A
P
P
P
C
Ró˝nice w syntezie komplementarnych ∏aƒcuchów DNA
W procesie replikacji polimeraza DNA mo˝e przy∏àczaç wolne nukleotydy jedynie
do koƒca 3’ ∏aƒcucha polinukleotydowego, tzn. do koƒca zawierajàcego wolnà gru-
p´ hydroksylowà – synteza przebiega wi´c w kierunku od 5’ do 3’ nowo syntetyzo-
wanej nici. Jak ju˝ wspomniano, koƒce nici DNA nie sà jednakowe, tzn. jeden z nich
to 3’, drugi – 5’. Z tego powodu wyd∏u˝anie nowych nici DNA odbywa si´ w prze-
ciwnych kierunkach (rys. 24). Poczàtek ich syntezy jest uwarunkowany wytworze-
niem krótkiego, kilkunukleotydowego odcinka –
startera RNA. Jedna z nowych nici
jest syntetyzowana w sposób ciàg∏y ku rozwierajàcym si´ wide∏kom replikacyjnym
przez przy∏àczanie nukleotydów do pojedynczego startera RNA. Poniewa˝ druga niç
jest przeciwbie˝na w stosunku do pierwszej, jej synteza musi tak˝e nast´powaç w kie-
runku przeciwnym. Jest to mo˝liwe dopiero wówczas, gdy na jej matrycy powstanie
wolne miejsce, umo˝liwiajàce replikacj´ krótkiego fragmentu nici. Z tego powodu niç
ta jest syntetyzowana z wielu kolejnych miejsc startu i powstaje z po∏àczenia wielu
krótkich odcinków, nazwanych od nazwiska ich odkrywcy
fragmentami Okazaki. Jej
synteza odbywa si´ w kierunku przeciwnym do kierunku przesuwania si´ wide∏ek re-
plikacyjnych. Po przejÊciu wide∏ek replikacyjnych wzd∏u˝ ca∏ego replikowanego od-
cinka DNA nast´puje wycinanie RNA starterowego, uzupe∏nienie powsta∏ych przerw
odpowiednimi nukleotydami DNA oraz po∏àczenie fragmentów Okazaki w ciàg∏à niç
dzi´ki dzia∏aniu enzymu
ligazy DNA.
Przebieg replikacji w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych
Replikacja rozpoczyna si´ w ÊciÊle okreÊlonych miejscach zwanych miejscami
inicjacji
replikacji. Sà to odcinki DNA, do których przy∏àczajà si´ enzymy uczestniczàce
w tym procesie, m.in. polimeraza DNA. W komórkach prokariotycznych wyst´puje
pojedyncze miejsce inicjacji replikacji, w komórkach eukariotycznych jest ich wiele
(rys. 25). W wyniku przesuwania si´ wide∏ek replikacyjnych w dwóch przeciwnych
32
niç macierzysta
niç macierzysta
3’
3’
3’
5’
3’
5’
5’
5’
3’
5’
polimeraza DNA
nowa niç
nowa niç
starter RNA
starter RNA
fragmenty
Okazaki
Rys. 24.
Ró˝nice w syntezie komplementarnych ∏aƒcuchów DNA.
Synteza obu ∏aƒcuchów polinukleotydowych w nowej czàsteczce DNA przebiega w przeciw-
nych kierunkach. Jeden z nich jest syntetyzowany w sposób ciàg∏y, drugi fragmentarycznie.
kierunkach powstaje, a nast´pnie zwi´ksza swoje rozmiary tzw. oczko. Ca∏y proces
koƒczy si´ z chwilà powstania dwóch czàsteczek DNA, co w komórce eukariotycz-
nej wymaga po∏àczenia si´ ze sobà wszystkich „oczek”.
w
Budowa kwasu rybonukleinowego (RNA)
Jednostkà budulcowà RNA, podobnie jak DNA, jest nukleotyd.
W sk∏ad nukleotydu RNA wchodzà:
•
jedna z organicznych zasad azotowych: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C), uracyl (U).
•
cukier pi´ciow´glowy – ryboza,
•
reszta fosforanowa(V).
33
niç potomna
niç macierzysta
wide∏ki
replikacyjne
wide∏ki replikacyjne
Rys. 25.
Przebieg replikacji DNA:
a
– w komórce prokariotycznej,
b
– w komórce eukariotycznej.
Czàsteczki DNA w komórkach eukariotycznych sà znacznie d∏u˝sze ni˝ w komórkach proka-
riotycznych. Zapoczàtkowanie replikacji w wielu miejscach czàsteczki DNA umo˝liwia znacz-
ne skrócenie tego procesu.
a
b
O
O
H
H
OH
H
OH
CH
2
5
4
3
2
1
H
O
uracyl
ryboza
HN
N
P
O
–
O
–
O
O
Rys. 26.
Nukleotyd RNA – fosforan(V) urydyny.
Nukleotydy RNA ró˝nià si´ od nukleotydów DNA
rodzajem cukru prostego (zamiast deoksyrybozy
wyst´puje ryboza) oraz zestawem zasad azoto-
wych (zamiast tyminy wyst´puje uracyl).
w
Rodzaje kwasów rybonukleinowych
Znane sà trzy rodzaje RNA, ró˝niàce si´ mi´dzy sobà liczbà oraz sekwencjà budujà-
cych je nukleotydów. Sà to:
•
informacyjny RNA – mRNA (ang. messenger RNA),
•
rybosomowy RNA – rRNA (ang. rybosomal RNA),
•
transportujàcy RNA – tRNA (ang. transfer RNA).
Wszystkie rodzaje RNA uczestniczà w procesie biosyntezy bia∏ek. RNA mo˝e te˝ sta-
nowiç materia∏ genetyczny; dotyczy to wi´kszoÊci wirusów atakujàcych komórki ro-
Êlin i niektórych wirusów atakujàcych komórki zwierzàt (np. HIV).
Stwierdzono, ˝e niektóre czàsteczki RNA, tzw.
rybozymy, wykazujà w∏aÊciwoÊci en-
zymatyczne i katalizujà niektóre etapy istotnych biologicznie reakcji (np. wytworze-
nie wiàzania peptydowego mi´dzy aminokwasami w powstajàcym ∏aƒcuchu bia∏ka).
Uwa˝a si´ zresztà, ˝e to RNA by∏ pierwszym organicznym katalizatorem reakcji bio-
chemicznych w okresie kszta∏towania si´ ˝ycia na Ziemi (str. 170). Dopiero póêniej po-
jawi∏y si´ bia∏ka, które z czasem prawie ca∏kowicie zastàpi∏y RNA w roli katalizatora.
w
Proces syntezy RNA (transkrypcja)
Struktura wszystkich rodzajów RNA jest zapisana w DNA. Przepisywanie informacji
z DNA na ka˝dy rodzaj czàsteczek RNA nosi nazw´
transkrypcji (rys. 27). Proces ten
wymaga okresowego rozwini´cia helisy DNA. Transkrypcji ulega tylko jeden ∏aƒ-
cuch DNA (tzw. ∏aƒcuch matrycowy). Tak˝e w przebiegu tego procesu obowiàzuje
poznana wczeÊniej regu∏a komplementarnoÊci zasad azotowych, zgodnie z którà
w tym wypadku naprzeciw odpowiednich nukleotydów ∏aƒcucha DNA uk∏adajà si´
komplementarne nukleotydy RNA (wyst´pujàcy w RNA uracyl tworzy komplemen-
tarnà par´ z adeninà). Po od∏àczeniu nowo zsyntetyzowanego ∏aƒcucha RNA czà-
steczka DNA odtwarza swojà struktur´.
Transkrypcja wymaga obecnoÊci
polimerazy RNA. Oprócz w∏aÊciwoÊci polimery-
zacyjnych ma on zdolnoÊç rozpoznawania na DNA odpowiedniego uk∏adu nukle-
otydów, od którego rozpoczyna proces transkrypcji (miejsce
inicjacji transkrypcji).
34
G C
A A
U G C
C G U A
G A U U U G C C U A A U U
C A A
U
DNA
rozplatanie
DNA
splatanie
DNA
A
C
G
T
A
C
G T
A C
G T
T A
C G G
C A T C T A A A C G G A T T A A G
T T A
G G
C A
G
A
C
T
A
polimeraza RNA
kierunek transkrypcji
matrycowy ∏aƒcuch DNA
5’
5’
3’
5’
3’
mRNA
Rys. 27.
Przebieg transkrypcji.
KolejnoÊç nukleotydów w czàsteczce DNA determinuje kolejnoÊç nast´pujàcych po sobie nu-
kleotydów w nowo zsyntetyzowanym ∏aƒcuchu RNA.
Terminacja (zakoƒczenie) transkrypcji nast´puje po napotkaniu na nici DNA swoistej
sekwencji nukleotydów, która u∏atwia od∏àczenie si´ powsta∏ego RNA od matrycy.
Bioràc pod uwag´, ˝e DNA komórki mo˝e zawieraç wiele tysi´cy genów (np. u cz∏o-
wieka ponad 30 000), nale˝y uznaç, ˝e rozpoznanie, gdzie si´ zaczyna i gdzie koƒ-
czy poszukiwany gen, nie nale˝y do ∏atwych zadaƒ, poniewa˝ polimeraza RNA roz-
poczyna syntez´ ∏aƒcucha bez udzia∏u odcinka starterowego.
Energia potrzebna w czasie transkrypcji pochodzi, podobnie jak w wypadku repli-
kacji, z rozpadu wiàzaƒ wysokoenergetycznych dodatkowo ufosforylowanych nu-
kleotydów.
w
Modyfikacje mRNA w komórkach eukariotycznych
Mimo ogólnego podobieƒstwa mechanizmów syntezy mRNA w komórkach proka-
riotycznych i eukariotycznych, odkryto wyst´powanie istotnych ró˝nic. Wynikajà
one przede wszystkim z odmiennej organizacji genów w obu typach komórek. W ko-
mórkach prokariotycznych geny sà ciàg∏e, natomiast w komórkach eukariotycznych
stanowià rodzaj mozaiki. W ich sk∏ad wchodzà sekwencje kodujàce, czyli
eksony,
zawierajàce informacj´ o sekwencji aminokwasów w kodowanym bia∏ku, przedzie-
lone sekwencjami niekodujàcymi, czyli
intronami, które nie zawierajà takiej infor-
macji. Poszczególne geny ró˝nià si´ liczbà sk∏adajàcych si´ na nie intronów i ekso-
nów. Co wi´cej, ∏àczna d∏ugoÊç sekwencji niekodujàcych mo˝e stanowiç nawet
75% ca∏ego genu, czyli znacznie przekraczaç d∏ugoÊç odcinków kodujàcych.
W komórce prokariotycznej powsta∏y mRNA jest praktycznie od razu gotowy do udzia-
∏u w biosyntezie bia∏ka, natomiast w komórce eukariotycznej wymaga znacznych prze-
kszta∏ceƒ. Zachodzà one, podobnie jak proces transkrypcji, na obszarze jàdra komór-
kowego. W trakcie transkrypcji nast´puje przepisanie obu typów sekwencji, czyli
eksonów i intronów, w wyniku czego powstaje czàsteczka RNA nazywana
prekursoro-
wym mRNA lub pre-mRNA (rys. 28). Czàsteczka pre-mRNA przekszta∏ca si´ w funkcjo-
nalny mRNA, tzn. zawierajàcy ciàg∏à informacj´ o strukturze kodowanego bia∏ka,
w procesie
sk∏adania (ang. splicing). Polega on na precyzyjnym wycinaniu i usuwaniu
fragmentów niekodujàcych (intronów) oraz „sklejaniu” ze sobà w jednà ca∏oÊç sekwen-
cji kodujàcych (eksonów). Poza wycinaniem intronów obserwuje si´ równie˝ zasadni-
czà modyfikacj´ budowy obu wolnych koƒców powstajàcego mRNA, co m.in. znacz-
nie zwi´ksza jego trwa∏oÊç. Tak przygotowana czàsteczka opuszcza jàdro komórkowe
i dostaje si´ do cytoplazmy komórki, gdzie przy∏àczy si´ do rybosomów, inicjujàc pro-
ces biosyntezy bia∏ka.
35
introny
eksony
transkrypcja
wycinanie intronów
i ∏àczenie eksonów
odcinek DNA
(gen)
pre-mRNA
mRNA
Rys. 28.
Transkrypcja i sk∏adanie RNA w komórce eukariotycznej.
w
Znaczenie ró˝nych rodzajów RNA w biosyntezie bia∏ek
Rybosomowy RNA (rRNA) stanowi jeden ze sk∏adników rybosomów – organelli
uczestniczàcych w syntezie bia∏ek. Liczba rybosomów w komórce zale˝y od zapo-
trzebowania na bia∏ko (jedna komórka
eukariotyczna zawiera przeci´tnie kilka
milionów rybosomów). Rybosomy ko-
mórki eukariotycznej znajdujà si´
przede wszystkim w cytoplazmie, ale
równie˝ w jàdrze komórkowym, mito-
chondriach i chloroplastach. Komórka
prokariotyczna zawiera tylko rybosomy
cytoplazmatyczne. Rybosomy majà po-
staç kulistych organelli podzielonych
na dwie nierówne cz´Êci nazywane
podjednostkami (rys. 29). Powstajà w jà-
drze komórkowym (dok∏adnie: w jàder-
ku). Podjednostki rybosomu ∏àczà si´ ze
sobà tylko w obecnoÊci mRNA.
Transportujàcy RNA (tRNA) przenosi aminokwasy do miejsc syntezy bia∏ek.
Wyst´puje w postaci niewielkich czàsteczek przyjmujàcych charakterystycznà form´
przestrzennà porównywanà do odwróconej litery „L” (rys. 30a). Bioràc pod uwag´
rozmieszczenie fragmentów kluczowych dla ich funkcji, przy pewnej dozie fantazji
mo˝na przyjàç, ˝e przypominajà kszta∏tem liÊç koniczyny (rys. 30b).
36
Rys. 30.
Model budowy czàsteczki tRNA:
a
– struktura trójwymiarowa,
b
– struktura dwuwy-
miarowa (D, Y, Y – nukleotydy zmodyfikowane).
Do szczególnych miejsc czàsteczki tRNA nale˝à: miejsce przy∏àczenia aminokwasu o sta∏ej dla
wszystkich tRNA niesparowanej sekwencji nukleotydów CCA,
antykodon (trzy nukleotydy od-
powiedzialne za rozpoznanie podczas syntezy bia∏ka trzech komplementarnych nukleotydów
na nici mRNA).
A
A
A
A
A
A
A
A
Y
A
A
A
C
C
C
C
T
C
C
C
C
G
G
G
G
G
G
G
G
G
U
C
G
C
G
G
G
G
G
G
D
D
A
A
A
G A
C
C U
C
A
U
G
C
C
A
U
U
U
C
C
G
U
U
U
U
U
G
G
C
G
A
U
5’
5’
3’
3’
p´tla 3
p´tla 2
p´tla 2
antykodon
p´tla 1
p´tla 1
p´tla 3
antykodon
OH
miejsce przy∏àczenia
aminokwasu
Y
Y
a
b
podjednostka
wi´ksza
podjednostka
mniejsza
kompletny rybosom
(widok z boku)
Rys. 29.
Budowa rybosomu (rysunek sporzà-
dzony na podstawie obrazów z mikroskopu
elektronowego).
W komórce istnieje oko∏o 50–60 rodzajów tRNA. Pojedyncza czàsteczka tRNA roz-
poznaje, wià˝e i dostarcza do miejsca syntezy bia∏ka (do rybosomów) tylko jeden ro-
dzaj aminokwasu. Nast´pnie ∏àczy si´ z rybosomem oraz odpowiednim miejscem na
nici mRNA, co umo˝liwia precyzyjne wstawienie transportowanego aminokwasu
w tworzony ∏aƒcuch bia∏ka.
Informacyjny RNA (mRNA) przenosi informacj´ genetycznà zawartà w DNA
z miejsca jej przechowywania (jàdro komórkowe) do miejsca syntezy bia∏ek
(cytoplazma), gdzie nast´pnie wchodzi w kontakt z rybosomami i s∏u˝y jako matry-
ca do wytwarzania bia∏ek.
w
Proces odwrotnej transkrypcji
Poj´cie transkrypcji odnosi si´ do przepisywania informacji genetycznej z DNA na
RNA. Jednak w 1964 r., podczas badaƒ nad
wirusami onkogennymi, których materia-
∏em genetycznym jest RNA, wykazano, ˝e zachodzi tak˝e proces odwrotny do typo-
wej transkrypcji. Polega on na wytwarzaniu czàsteczki DNA na podstawie matrycy,
którà stanowi RNA (rys. 31) . SzeÊç lat póêniej odkryto w wirusach enzym katalizujà-
cy t´ reakcj´. Nazwano go
odwrotnà transkryptazà
, a wirusy zawierajàce ten enzym
–
retrowirusami
. Nale˝y do nich m.in. HIV, wywo∏ujàcy zespó∏ nabytego upoÊledze-
nia odpornoÊci (AIDS).
Proces syntezy DNA na matrycy RNA, czyli odwrotnà transkrypcj´, odkryto póêniej
równie˝ w niektórych komórkach eukariotycznych.
1. Scharakteryzuj budow´ DNA, uwzgl´dniajàc:
a) budow´ pojedynczego nuleotydu,
b) sposób ∏àczenia nukleotydów w ∏aƒcuch polinukleotydowy,
c) przestrzennà struktur´ podwójnej helisy.
37
Rys. 31.
Przebieg odwrotnej transkrypcji wirusowego RNA.
Po wnikni´ciu materia∏u genetycznego wirusa do komórki gospodarza odwrotna transkrypta-
za katalizuje proces syntezy pojedynczej nici DNA komplementarnej wobec RNA wirusa. Na-
st´pnie zostaje dobudowana druga niç DNA, komplementarna do wytworzonej poprzednio.
Powsta∏a czàsteczka DNA ulega w∏àczeniu do DNA komórki gospodarza, a zawarta w niej in-
formacja genetyczna zostaje wykorzystana do syntezy sk∏adników wirusów potomnych (wiru-
sowego RNA i bia∏ek).
włàczenie DNA
do genomu
komórki
jàdro komórki
dobudowanie
komplementarnej
nici DNA
wytrawienie
nici RNA
hybryda RNA/DNA
odwrotna
transkrypcja
RNA wirusa
PomyÊl, odpowiedz
2. WyjaÊnij, na czym polega ró˝na orientacja ∏aƒcuchów polinukleotydowych
DNA.
3. Wska˝ miejsca wyst´powania DNA w komórce prokariotycznej i eukariotycznej.
4. Omów przebieg replikacji DNA. WyjaÊnij, co oznacza stwierdzenie, ˝e replika-
cja ma charakter semikonserwatywny.
5. Scharakteryzuj budow´ chemicznà i przestrzennà RNA.
6. Przedstaw przebieg syntezy RNA.
7. WyjaÊnij istot´ zachodzàcych w komórkach eukariotycznych potranskrypcyj-
nych modyfikacji mRNA.
8. OkreÊl znaczenie ró˝nych rodzajów RNA w biosyntezie bia∏ka.
9. WyjaÊnij, na czym polega proces odwrotnej tanskrypcji. Podaj przyk∏ady wiru-
sów, u których on wyst´puje.
1. Porównaj budow´ i funkcje kwasów nukleinowych, uzupe∏niajàc tabel´.
2. Oblicz procentowà zawartoÊç adeniny w DNA organizmu, wiedzàc, ˝e cytozy-
na stanowi 18% wszystkich zasad azotowych tego DNA.
3. Po analizie sekwencji nukleotydów budujàcych jeden z ∏aƒcuchów polinukleoty-
dowych DNA uzupe∏nij schemat o ∏aƒcuch komplementarny do zaprezentowanego.
4. Podaj sekwencj´ nukleotydów mRNA syntetyzowanego wed∏ug przedstawio-
nego poni˝ej odcinka DNA, wiedzàc, ˝e niç kodujàcà zaznaczono kolorem
czerwonym.
5. Podaj antykodony kolejnych czàsteczek tRNA, które b´dà uczestniczyç w bio-
syntezie bia∏ek zachodzàcej zgodnie z przedstawionà poni˝ej sekwencjà nukle-
otydów w odcinku mRNA.
38
åwiczenia, zadania
Elementy porównywane
Podstawowa jednostka budulcowa
Rodzaj cukru
Zasady azotowe
Reszta kwasu nieorganicznego
Funkcje
DNA
RNA
GG
T
G
G A
A
T
C
C
C A T C
T
A T
T
G C C
T
G A A G A
T A
A
C GG
A
C T T C
T
U A
A
A
C G
G
U
U
U
U C A C
C
Podstawowà jednostkà budulcowà wszystkich typów
kwasów nukleinowych jest ............................ . Do jego
sk∏adników nale˝à: pi´ciow´glowy cukier, ......................
oraz jedna z organicznych zasad ............................ . Po-
szczególne ............................ ∏àczà si´ ze sobà w ∏aƒ-
cuch polinukleotydowy. Czàsteczka RNA ma postaç po-
jedynczego ∏aƒcucha polinukleotydowego, a czàsteczk´
DNA budujà dwa ∏aƒcuchy, tworzàc struktur´ zwanà
............................ . DNA jest noÊnikiem informacji gene-
tycznej w komórkach wszystkich organizmów prokario-
tycznych i eukariotycznych. W komórce eukariotycznej
jest zlokalizowany g∏ównie w ........................ oraz cz´-
Êciowo na obszarze ......................... i ............................ .
W komórce prokariotycznej wyst´puje w postaci genofo-
ru oraz niewielkich, kolistych czàsteczek zwanych
............................, zawierajàcych zwykle geny opornoÊci
na antybiotyki. Proces podwojenia czàsteczki DNA za-
chodzi przed podzia∏em komórki i nosi nazw´
........................... . Na matrycy DNA, w procesie zwanym
.......................... zostajà wytworzone ró˝ne rodzaje RNA,
tj. .........................., .......................... i ......................... .
Biologiczna funkcja RNA w komórce jest zwiàzana
z przebiegiem ............................ . Potranskrypcyjne prze-
kszta∏cenia mRNA komórek eukariotycznych sà konse-
kwencjà nieciàg∏ej struktury genów, tj. istnienia odcin-
ków kodujàcych, zwanych ..........................., oraz
oddzielajàcych je odcinków niekodujàcych, zwanych
........................... .
Przepisywanie informacji genetycznej z RNA na DNA,
czyli proces ..........................., odkryto podczas badaƒ
nad ........................... .
39
S
¸ O W N I K
L
E K C J I
Odwrotna transkryptaza
– enzym, który katalizuje
tworzenie kopii DNA na
matrycy RNA.
Retrowirusy
– grupa
wirusów, do której nale˝y
m.in. HIV. Ich nazwa
wywodzi si´ od
odwrotnego przep∏ywu
informacji, tj. od RNA do
DNA, w czym uczestniczy
odwrotna transkryptaza.
Podsumuj