GENETYKA MOLEKULARNA

Struktura przestrzenna i znaczenie DNA

DNA - kwas deoksyrybonukleinowy jest „bankiem” i nośnikiem informacji genetycznej,

ponieważ przechowuje informację genetyczną i bierze udział w przekazywaniu cech z pokolenia na

pokolenie.

Cząsteczka DNA składa się z owiniętych wokół siebie łańcuchów polinukleotydowych

tworzących podwójną helisę. Nici względem siebie ułożone są antyrównoległe - tzn., że naprzeciw

końca 5` jednej nici znajduje się koniec 3`drugiego łańcucha polinukleotydowego. Zasady azotowe

nukleotydów znajdują się wewnątrz spirali a deoksyrybozy i grupy fosforanowe na zewnątrz.

Schemat podwójnej helisy DNA

Struktura chemiczna DNA

Zasady azotowe cechuje zdolność do łączenia się w pary, zgodnie z regułą komplementarności zasad:

adenina łączy się z tyminą (w RNA z uracylem) a cytozyna z guaniną.

Rodzaje wiązań chemicznych występujących w cząsteczce DNA:

•

wodorowe – występuje pomiędzy zasadami azotowymi nukleotydów komplementarnych
nici. (pomiędzy A – T jest wiązanie podwójne, a pomiędzy C – G jest wiązanie potrójne).

•

N – glikozydowe – występuje pomiędzy zasadą azotową a deoksyrybozą

•

fosfodiestrowe – łączy poprzez grupę fosforanową sąsiednie nukleozydy tej samej nici.

Struktura i funkcje RNA – kwasu rybonukleinowego

RNA posiada strukturę jednoniciową z wyjątkiem krótkich fragmentów tRNA, które mają odcinki
dwuniciowe (w przestrzeni swoim kształtem przypominają liść koniczyny).

Rodzaje RNA:

•

mRNA – matrycowy (informacyjny) – jest matrycą w czasie biosyntezy białka. Powstaje w
procesie transkrypcji.

•

tRNA – transportujący – transportuje aminokwasy na rybosomy

•

rRNA – rybosomalny – buduje rybosomy, na których odbywa się translacja

Porównanie DNA i RNA

Cecha

DNA

RNA

Liczba nici

2

1

Struktura przestrzenna
cząsteczki

podwójna helisa

pojedyncza nić różnie ułożona

Budowa nukleotydu:

•

cukier

•

zasady azotowe

•

reszta kwasu
fosforowego (V)

deoksyryboza
adenina
guanina
cytozyna
tymina

obecna

ryboza
adenina
guanina
cytozyna
uracyl

obecna

Występowanie

jądro komórkowe,
mitochondria,

cytoplazma, rybosomy, jądro
komórkowe, mitochondria

Funkcje

bank i nośnik informacji
genetycznej

umożliwia ekspresję
(ujawnienie się) informacji
genetycznej

Replikacja DNA

Replikacja jest enzymatycznym procesem kopiowania (powielania, biosyntezy) DNA, który to proces
odbywa się w sposób semikonserwatywny (półzachowawczy) – tzn., że każda nowo powstała
cząsteczka DNA zawiera jedną nić wyjściową (starą, czyli macierzystej cząsteczki) i jedną nowo
dosyntetyzowaną.
Enzymy uczestniczące w replikacji DNA:

•

helikaza replikacyjna – rozkręcają nici DNA w obie strony

•

polimeraza DNA – dobudowuje nowe nukleotydy

•

ligaza – „zszywa” nowo dobudowane nukleotydy

Replikacja rozpoczyna się w miejscu inicjacji replikacji. Po rozpoznaniu tego miejsca, (przez

polimerazę DNA), dochodzi do rozkręcenia helisy i przecięcia wiązań wodorowych pomiędzy
zasadami azotowymi. Powstają tzw. widełki replikacyjne, w których polimeraza DNA dobudowuje
nowe nukleotydy zgodnie z regułą komplementarności. Na nici 5`- 3` replikacja przebiega w sposób
ciągły, natomiast na nici 3`- 5`zawiązują się startery (RNA), pomiędzy którymi dobudowują się tzw.
fragmenty Okazaki (odcinki DNA). Po pewnym czasie startery są wycinane a w ich miejsce
dobudowane brakujące nukleotydy. Powstaje nowa cząsteczka DNA, zbudowana z jednej nici starej i
jednej nowo dosyntetyzowanej, która ulega skręceniu, tworząc helisę.

Model budowy i działania widełek replikacyjnych

Właściwości kodu genetycznego

Kod genetyczny jest to sposób zapisu kolejności aminokwasów budujących białko za pomocą
kolejności nukleotydów w DNA (sposób, według którego można przetłumaczyć informację
genetyczną z języka nukleotydów na język aminokwasów)
Cechy kodu genetycznego:

•

trójkowy – to znaczy, że trzy sąsiadujące ze sobą nukleotydy (kodon), określają jeden
aminokwas

•

bezprzecinkowy – oznacza, że pomiędzy kodonami nie ma żadnych znaków przestankowych
ani wolnych nukleotydów

•

niezachodzący –oznacza, że kolejne trójki nukleotydów tworzą kolejne kodony, czyli jeden
kodon nie zachodzi na sąsiedni (sąsiednie kodony nie mają wspólnych nukleotydów).

•

zdegenerowany (wieloznaczny) – oznacza, że dany aminokwas może być określony przez
kilka różnych kodonów

•

jednoznaczny –oznacza, że jeden dany kodon wyznacza tylko jeden aminokwas

•

uniwersalny – to znaczy, że kod genetyczny jest taki sam u wszystkich organizmów żywych.
Jest dowodem na jedność świata ożywionego i wspólne pochodzenie organizmów.

Tabela kodu genetycznego

Ekspresja informacji genetycznej

W procesie ekspresji informacji wyróżniamy dwa etapy

•

transkrypcję – czyli syntezę RNA na matrycy DNA. Proces ten przebiega na terenie jądra
komórkowego.

•

Translację – czyli przetłumaczenia informacji genetycznej z języka nukleotydów na język
aminokwasów.

Przepływ informacji w typowej komórce eukariotycznej: odbywa się według schematu:

Przebieg transkrypcji

Transkrypcja to proces syntezy mRNA na matrycy DNA przy udziale polimerazy RNA, czyli
przepisywanie informacji genetycznej zawartej w DNA na kolejność nukleotydów w mRNA.

Transkrypcji podlega odcinek DNA od promotora do terminatora, który jest nazywany jednostką
transkrypcji. Nowa cząsteczka RNA powstaje w kierunku 5' → 3', czyli na matrycy odczytywanej w
kierunku 3' → 5'

Inicjacja transkrypcji polega na związaniu polimerazy RNA z promotorem. Polimeraza RNA przesuwa
się wzdłuż cząsteczki DNA, rozplatając ją, a następnie wbudowując nukleotydy zgodnie z regułą

komplementarności. Etap elongacji kończy się, gdy polimeraza RNA dotrze do terminatora, czyli
miejsca terminacji transkrypcji .

W wyniku transkrypcji powstaje pierwotny transkrypt – pre-mRNA, który musi zostać poddany
obróbce potranskrypcyjnej, aby go wykorzystać do translacji.

Obróbka potranskrypcyjna

Obróbka potranskrypcyjna polega na:

•

dołączeniu czapeczki guanylowej na końcu 5' – mRNA

•

dołączeniu ogonka poliA na końcu 3' - mRNA.

•

splicingu, czyli usuwaniu intronów (sekwencji niekodujących w DNA)

•

powstaniu dojrzałej cząsteczki mRNA (zbudowanej z egzonów, czyli obszarów DNA
kodujących określoną informację na temat białka.

Organizacja genu nieciągłego, jego transkrypcja oraz obróbka potranskrypcyjna

Schemat organizacji genu nieciągłego, jego transkrypcja oraz obróbka potranskrypcyjna

Przebieg translacji

Translacja polega na przetłumaczeniu informacji genetycznej z języka nukleotydów (zawartego
pierwotnie w kodzie genetycznym DNA) na język aminokwasów. Translacja na jednej cząsteczce

mRNA może być prowadzona równocześnie przez wiele rybosomów. Taki kompleks mRNA
związanego z wieloma rybosomami nazywa się polirybosomem lub polisomem.

Translacja składa się z trzech faz:

•

inicjacji

•

elongacji

•

terminacji

Przed właściwym procesem translacji dochodzi do aktywacji aminokwasów. Proces ten polega na
przyłączeniu odpowiedniego aminokwasu do końca 3' tRNA w wyniku czego powstaje aminoacylo-
tRNA

Inicjacja

Rozpoczyna się od momentu przyłączenia małej a następnie dużej podjednostki rybosomu do końca
5' mRNA. W rybosomie występują dwa miejsca: miejsce peptydowe (P) i miejsce akceptorowe (A).
Pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P; jest nim zwykle aminoacylo-tRNA z
aminokwasem metioniną.

Elongacja

Rozpoczyna się, gdy w wolne miejsce A na rybosomie wsunie się odpowiedni aminoacylo-tRNA.
Proces translacji zachodzi na zasadzie komplementarności kodonu

mRNA z antykodonem

umieszczonym na tRNA. Aminoacylo- tRNA zajmuje w rybosomie miejsca A i P. Pomiędzy grupą
aminową i karboksylową aminokwasów tworzą się wiązania peptydowe. Po połaczeniu się
aminokwasów, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei aminoacylo-tRNA ulega
przesunięciu z miejsca A na miejsce P. mRNA przesuwa się o kolejny kodon. Dzięki temu w miejsce A
nasuwa się kolejna trójka kodująca mRNA i proces elongacji się powtarza, aż do momentu napotkania
kodonu stop.

Terminacja

Odbywa się, gdy w miejsce A rybosomu nasunie się trójka nonsensowna (nie kodujaca aminokwasu):
UAA, UAG lub UGA. Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, rybosom rozpada się
na podjednostki a tRNA zostaje oddzielone od m RNA.

ĆWICZENIA

ZADANIE NR 1.( 1 pkt. )

Poniżej podano cechy kodu genetycznego (1-3) wraz z ich opisami (a – d):

1.

trójkowy

2.

jednoznaczny

3.

bezprzecinkowy

a)

oznacza, że pomiędzy kodonami nie ma żadnych znaków przestankowych ani wolnych
nukleotydów

b)

oznacza, że trzy sąsiadujące ze sobą nukleotydy (kodon), określają jeden aminokwas

c)

oznacza, że jeden kodon wyznacza tylko jeden aminokwas

d)

oznacza, że kod genetyczny jest taki sam u wszystkich organizmów żywych

Zaznacz wśród odpowiedzi A – D szereg prawidłowo przyporządkowanych opisów (a-d) do
cech kodu genetycznego (1-3 ).

A.

1 - b; 2 - c; 3 - a

B.

1 - d; 2 – b; 3 – c

C.

1 - b; 2 – c; 3 – a

D.

1- a; 2 – b; 3 - c

ZADANIE NR 2.( 1 pkt. )

Poniższy schemat przedstawia przepływ informacji w typowej komórce eukariotycznej.

Zaznacz szereg z poprawnymi nazwami procesów ekspresji informacji genetycznej oznaczone na
schematycznym rysunku cyframi 1 - 3

A.

1 - replikacja; 2 – transkrypcja; 3 – translacja

B.

1 - transformacja; 2 – transkrypcja; 3 – translacja

C.

1 - translacja; 2 – transkrypcja; 3 – transformacja

D.

1 - replikacja; 2 – translacja; 3 – transformacja

ZADANIE NR 3.( 1pkt. )

Kod genetyczny to sposób zapisu kolejności aminokwasów budujących białko za pomocą kolejności

nukleotydów w DNA. Trójka nukleotydów CCU określa prolinę (Pro), trójka UCU – serynę (Ser), UUU –

fenyloalaninę ( Phe) a GCU - alanina (Ala).

Zaznacz wśród odpowiedzi A – D prawidłową sekwencję aminokwasów w łańcuchu białkowym,
który jest syntetyzowany na nici DNA o sekwencji ….CGAAAAAGAGGA… .

A.

- Ala – Phe – Ser – Pro –

B.

- Ala – Pro – Ser – Phe –

C.

- Ser – Phe – Ala – Pro –

D.

- Ser – Pro – Ala – Phe –

ZADANIE NR 4.( 1 pkt. )

Uporządkuj przedstawione poniżej informacje, dobierając cyfry od 1 do 5 w takiej kolejności, aby
utworzyć właściwy opis procesu replikacji DNA.

Charakterystyka replikacji DNA

Numer

etapu

Powstanie widełek replikacyjnych

1

Dobudowanie się fragmentów Okazaki

2

Rozkręcenie helisy i przecięcie wiązań wodorowych

3

Skręcenie komplementarnych nici w helisę

4

Zawiązanie się starterów na nici „starej”

5

A.

3; 1; 5; 2; 4;

B.

1; 5; 2; 4; 3;

C.

1; 5; 2; 3; 4;

D.

3; 4; 2; 1; 5;

ZADANIE NR 5. ( 1pkt. )

Uporządkuj przedstawione poniżej informacje, dobierając cyfry od 1 do 5 w takiej kolejności, aby
utworzyć właściwy opis transkrypcji i obróbki posttranskrypcyjnej.

Charakterystyka transkrypcji i obróbki posttranskrypcyjnej

Numer

etapu

Przebieg elongacji polegający na wbudowaniu nukleotydów w RNA, zgodnie z regułą
komplementarności

1

Dołączenie czapeczki guanylowej na końcu 5' – mRNA

2

Polimeraza RNA łączy się z promotorem

3

Splicing, czyli usuwanie intronów

4

Polimeraza RNA łączy się z terminatorem, czyli miejscem terminacji transkrypcji.

5

A.

3; 1; 5; 2; 4;

B.

1; 5; 2; 4; 3;

C.

1; 5; 2; 3; 4;

D.

3; 4; 2; 1; 5;

ZADANIE NR 6.( 1pkt. )

Rysunek przedstawia pewien bardzo ważny proces związany z podziałami komórkowymi .
Przeanalizuj schematyczny rysunek i wykonaj polecenia.

Zaznacz wśród odpowiedzi A – D szereg prawidłowo nazwanego elementu X oraz nazwij proces,
który obrazuje powyższy rysunek.

Odpowiedzi

uczniów

Element X

Nazwa procesu

A

Starter

Replikacja DNA

B

DNA

Replikacja DNA

C

Starter

Translacja

D

DNA

Translacja

ZADANIE NR 7.( 1 pkt. )

Poniżej podano tabelę kodu genetycznego

Zaznacz wśród odpowiedzi A – D szereg prawidłowo przyporządkowanych sekwencji aminokwasów
w łańcuchu polipeptydowym, syntetyzowanym według fragmentu mRNA, o następującej
sekwencji:
….UUUCCCAGUCGCCUUGUC…

Odpowiedzi
uczniów:

Sekwencja aminokwasów w białku

A.

Phen-Pro-Ser-Arg-Leu-Val

B.

Leu-Pro-Ser-Arg-Leu-Val

C.

Phen-Pro-Leu-Arg-Leu-Met

D.

Leu-Arg-Ser-Arg-Pro-Val

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA

ZADANIE I
1 - b; 2 - c; 3 - a

ZADANIE II

1 - replikacja; 2 – transkrypcja; 3 – translacja

ZADANIE III

Jeżeli łańcuch DNA posiada sekwencję nukleotydów ….CGAAAAAGAGGA…, to w procesie

transkrypcji otrzymujemy mRNA o następującej sekwencji nukleotydów ….GCUUUUUCUCCU.

Korzystając z tabeli kodu genetycznego, możemy w prosty sposób określić sekwencję aminokwasów

w białku

ZADANIE IV

Etapy replikacji DNA odbywają się w następującej kolejności:

Numer

etapu

Charakterystyka replikacji DNA

1

Powstanie widełek replikacyjnych

2

Dobudowanie się fragmentów Okazaki

3

Rozkręcenie helisy i przecięcie wiązań wodorowych

4

Skręcenie komplementarnych nici w helisę

5

Zawiązanie się starterów na nici „starej”

ZADANIE V

Etapy transkrypcji i obróbki posttranskrypcyjnej DNA odbywają się w następującej kolejności:

Numer

etapu

Charakterystyka replikacji DNA

1

polimerazy RNA łączy się z promotorem

2

Przebieg elongacji polegający na wbudowaniu nukleotydów w RNA, zgodnie z regułą
komplementarności

3

Polimeraza RNA łączy się z promotorem

4

Dołączenie czapeczki guanylowej na końcu 5' – mRNA

5

Splicing, czyli usuwanie intronów

ZADANIE VI

X – starter. Nazwa procesu - replikacja DNA.

ZADANIE VII

Odpowiedź poprawna: A