Molekularne podstawy

Molekularne podstawy

dziedziczenia cech

dziedziczenia cech

−Budowa chemiczna i strukturalna nośnika

dziedziczności DNA

−Przebieg procesu replikacji DNA

−Znaczenie genetyczne prawidłowego przebiegu

replikacji DNA

−Sposób przekazywania informacji genetycznej

zawartej w DNA do cytoplazmy

−transkrypcja

−Kod genetyczny i jego zasady

−Translacja

−Biosynteza białek

−Porównanie budowy genomu Procaryota i Eucaryota

Słownik terminów

•

Replikacja DNA – powielenie (kopiowanie) cząsteczki DNA zachodzące przed podziałem
jądra komórkowego (w fazie S cyklu komórkowego).

•

Widełki replikacyjne – sposób syntezy DNA. Helikaza rozplata podwójna helisę , którą
następnie w stanie rozplecenia utrzymują białka. DNA syntetyzowany jest na nici
wiodącej w sposób ciągły natomiast na nici opóźnionej w postaci fragmentów Okazaki.

•

Fragmenty Okazaki – fragmenty DNA syntetyzowane podczas replikacji na nici
opóźnionej łączone następnie przez ligazę w ciągłą nić.

•

RNA (rybonukleinowy kwas) – związek o strukturze podobnej do DNA, ale zawierający
zamiast deoksyrybozy cukier rybozę, a zamiast tyminy inną zasadę azotową – uracyl.
Nie ma struktury podwójnej helisy, ale zwykle postać pojedynczych łańcuchów
polinukleotydowych. Czasami tworzy krótkie helisy pomiędzy odcinkami
komplementarnymi tego samego łańcucha (dotyczy to zwłaszcza tRNA). Istnieje kilka
rodzajów kwasów rybonukleinowych: informacyjny (mRNA), transportowy (tRNA),
rybosomalny (rRNA) i wiele innych.

•

Kod genetyczny – zapis struktury aminokwasowej białek w kolejności nukleotydów DNA.
Aminokwas zapisany jest w postaci trójki nukleotydów – kodonu. Kod genetyczny jest:
uniwersalny, zdegenerowany, niezachodzący, bezprzecinkowy.

•

Transkrypcja – pierwszy etap ekspresji genów polegający na syntezie mRNA na
matrycy DNA przez polimerazę RNA.

•

mRNA (informacyjny RNA, matrycowy RNA) – syntetyzowany w jądrze komórkowym.
Jest to cząsteczka RNA, której sekwencja nukleotydów tłumaczona jest podczas translacji
na sekwencje aminokwasów w białku.

•

Egzon – sekwencja nukleotydów w DNA kodująca białko.

•

Intron (sekwencja niekodująca) – sekwencja nukleotydów w DNA nie kodująca białka,
zwykle kodująca RNA i biorąca udział w regulacji funkcji genu.

2

Ważna terminologia

• Dojrzewanie potranskrypcyjne (dojrzewanie jądrowe) – wycinanie z pre-mRNA

intronów zanim cząsteczka zostanie przetransportowana do miejsca translacji w
cytoplazmie.

• Translacja – proces syntezy białka na matrycy mRNA.
• tRNA (transportujący RNA) – niewielkie cząsteczki RNA, o specyficznej budowie

przestrzennej, dostarczające aminokwasy na miejsce syntezy białka. Specyficzny w
stosunku do określonych aminokwasów.

• Rybosomy – makrocząsteczki zbudowane z rybosomalnego RNA i białka. Składają

się z dwóch podjednostek o różnej masie. Znajdują się w cytoplazmie, gdzie
prowadzą proces translacji.

• rRNA (rybosomalny RNA) – cząsteczki RNA wchodzące w skład rybosomów i

biorące udział w translacji.

• Splicing – proces wycinania intronów w procesie dojrzewania pre-mRNA.
• Procaryota –podkrólestwo, obejmujące jednokomórkowe organizmy: eubakterie i

archebakterie. Obecnie zaczyna dominować pogląd, że żyjące w ekstremalnych
środowiskach archebakterie stanowią grupę organizmów różniących się zarówno od
Procaryota jak i Eucaryota.

• Eucaryota – podkrólestwo, obejmujące organizmy wielokomórkowe.
• Genom procariotów – superhelikalna, kolista cząsteczka DNA zwana

chromosomem bakteryjnym.

3

Ważne terminy

• DNA (deoksyrybonukleinowy kwas) – chemiczny nośnik

dziedziczności zbudowany ze szkieletu cukrowo-fosforanowego, do
którego dołączone są zasady purynowe i pirymidynowe związane z
atomem węgla 1` każdej reszty cukrowej. Cząsteczka DNA składa się z
dwóch łańcuchów polinukleotydowych owiniętych wokół siebie i
tworzących podwójną helisę.

• Zasady azotowe – cykliczne związki aromatyczne zawierające atomy

azotu. Wyróżnia się związki dwupierścieniowe, pochodne puryny:
adeninę i guaninę zwane zasadami purynowymi oraz związki
jednopierścieniowe, pochodne pirymidyny: cytozynę i tyminę.

• Nukleozyd – połączenie cukru (deoksyrybozy) z zasadą azotową.
• Nukleotyd – połączenie cukru (deoksyrybozy), reszty kwasu

fosforowego i zasady azotowej.

• Podwójna helisa (dwuniciowa helisa) – charakterystyczna struktura

przestrzenna DNA.

4

5

Komórka roślinna - SCHEMAT

http://republika.pl/blog_ud_3526649/4820180/tr/komorka_roslinna.jp
g

6

Budowa komórki

Budowa komórki

7

Organelle komórkowe zawierające DNA

Organelle komórkowe zawierające DNA

i RNA

i RNA

http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:KKyyyF2tMr70dM:http://www.interklasa.pl/meteo/komorka/images/jadro
%2520komorkowe.jpg

Kwas deoksyrybonukleinowy – DNA, w

komórkach eukariotów znajduje się w

chromosomach

• Ogniwami łańcucha DNA są nukleotydy

• Zbudowane z pierścienia cukru

pentozowego (5C) – deoksyrybozy

• Cząsteczki kwasu ortofosforowego H

3

PO

4

oraz zasady azotowej:

- purynowej
- A - adenina lub G – guanina

albo
- pirymidynowej
- T – tymina lub C - cytozyna

8

DNA występuje w postaci podwójnej nici – każda zasada
połączona jest z komplementarną zasadą z drugiej nici
słabymi wiązaniami wodorowymi podwójnymi (A-T) lub
potrójnymi (G-C)

Zawsze zasada purynowa łączy się z zasadą

pirymidynową A z T lub G z C

•

Komplementarność zasad powoduje, że

Komplementarność zasad powoduje, że

udział par w łańcuchu polinukleotydowym A

udział par w łańcuchu polinukleotydowym A

- T i G - C jest zawsze jednakowa

- T i G - C jest zawsze jednakowa

• Wystarczy znać udział jednej zasady w łańcuchu DNA

aby obliczyć udział pozostałych

• Np. jeżeli udział adeniny wynosi 30% to tyle samo

jest tyminy (razem 60%)

•

Pozostałe 40% - to guanina i cytozyna (po 20%)

Pozostałe 40% - to guanina i cytozyna (po 20%)

9

10

http://www.web-books.com/MoBio/Free/images/Ch3B2.gif

5' -ACT- 3'
3' -TGA- 5'

Schemat fragmentów
dwóch nici DNA
połączonych ze sobą
antyrównolegle, co
zapewnia
komplementarność zasad
Jedna nić biegnie od końca
5’- 3’ druga od 3’ – 5’

11

http://cnx.org/content/m12382/latest/dna.gif

http://evolution.berkeley.edu/evosite/history/images/dna_structure.g
if

Rdzeń cukrowo-fosforanowy

(wiązania chemiczne silne)

Dwuniciowa helisa DNA

Wodorowe wiązanie zasad
(wiązania chemicznie słabe)

nukleotyd

Zasady
azotowe
zawsze A-T i G-
C

Budowa chemiczna i strukturalna DNA

Replikacja

• Podczas

powielania

(replikacji)

DNA

dochodzi do pękania wiązań wodorowych,
które

łączą

komplementarne

antyrównoległe nici (koniec 3’ i koniec 5’)

• Przy udziale enzymów – najważniejszym jest

polimeraza

DNA,

do

każdej

nici

dobudowywana jest nić komplementarna

• W ten sposób powstają dwie nowe

cząsteczki DNA o identycznej budowie

• ZDOLNOŚĆ

DO

SAMODTWARZANIA

NAZYWAMY REPLIKACJĄ DNA

12

13

Cykl życiowy komórki składa się z
kilku etapów:

Faza G1 – wzrost komórki

Faza S - zaczyna się synteza DNA
replikacja DNA

Faza G2 – przygotowanie do podziału
Faza M – podział mitotyczny - mitoza

Każda nić po rozpleceniu
staje się matrycą do
której dobudowywana
jest nowa nić DNA -
komplementarna
Do „starej” nici

http://sciaga.onet.pl/_i/Biologiasciaga/schemat_replikacji.jpg

U Eucaryota replikacja rozpoczyna się
równocześnie

w

wielu

miejscach

wzdłuż cząsteczki DNA

16

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/DNA_repl
ication_pl.svg/750px-DNA_replication_pl.svg.png

Schemat struktury widełek
replikacyjnych
matryca,

nić wiodąca

,

nić opóźniona
widełki replikacyjne,
primer,

fragmenty Okazaki

Replikacja

Replikacja

•

Replikacja u bakterii i wirusów zaczyna się

Replikacja u bakterii i wirusów zaczyna się

od określonego punktu startowego

od określonego punktu startowego

•

U organizmów eukariotycznych replikacja

U organizmów eukariotycznych replikacja

przebiega w wielu miejscach równocześnie

przebiega w wielu miejscach równocześnie

•

Replikacja odbywa się podczas interfazy

Replikacja odbywa się podczas interfazy

cyklu życiowego komórki (faza S)

cyklu życiowego komórki (faza S)

17

18

Centralny dogmat biologii

od DNA – RNA – białka

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/gen_eu/schem1.gif

RNA

RNA

•

W komórce jest obecny drugi kwas nukleinowy RNA

W komórce jest obecny drugi kwas nukleinowy RNA

•

RNA jest cząsteczką jednoniciową i zamiast

RNA jest cząsteczką jednoniciową i zamiast

nukleotydu T – tyminy występuje w nim U – uracyl

nukleotydu T – tyminy występuje w nim U – uracyl

•

W RNA występuje prosty cukier ryboza

W RNA występuje prosty cukier ryboza

•

RNA może łączyć się w struktury dwuniciowe jeżeli

RNA może łączyć się w struktury dwuniciowe jeżeli

spotka komplementarny fragment

spotka komplementarny fragment

•

Cząsteczki RNA wykazują duże zróżnicowanie w

Cząsteczki RNA wykazują duże zróżnicowanie w

budowie wtórnej i trzeciorzędowej, w zależności od

budowie wtórnej i trzeciorzędowej, w zależności od

pełnionej funkcji w komórce

pełnionej funkcji w komórce

•

Wyróżniamy dwa podstawowe typy RNA:

Wyróżniamy dwa podstawowe typy RNA:

1.

1.

RNA „genetyczny”

RNA „genetyczny”

zawiera informację genetyczną w

zawiera informację genetyczną w

organizmach tworzących RNA a nie DNA (wirusy

organizmach tworzących RNA a nie DNA (wirusy

roślinne i zwierzęce, oraz bakteryjne (bakteriofagi)

roślinne i zwierzęce, oraz bakteryjne (bakteriofagi)

19

RNA

RNA

•

RNA niegenetyczny

RNA niegenetyczny

, którego pierwotna

, którego pierwotna

(molekularna) budowa zależy od DNA i

(molekularna) budowa zależy od DNA i

odgrywa zasadniczą rolę w procesach

odgrywa zasadniczą rolę w procesach

transkrypcji i translacji

transkrypcji i translacji

•

Niegenetyczny RNA dzieli się na:

Niegenetyczny RNA dzieli się na:



Matrycowy RNA (mRNA)

Matrycowy RNA (mRNA)



Transportujący RNA (tRNA) – występuje na

Transportujący RNA (tRNA) – występuje na

terenie cytoplazmy, składa się z niewielkich

terenie cytoplazmy, składa się z niewielkich

cząstek 73-90 nukleotydów

cząstek 73-90 nukleotydów



Rybosomalny RNA (rRNA) znajdujący się w

Rybosomalny RNA (rRNA) znajdujący się w

rybosomach

rybosomach

20

Podstawową rolę w cyklu życiowym

Podstawową rolę w cyklu życiowym

komórki i całego organizmu pełnią

komórki i całego organizmu pełnią

białka, a szczególnie białka

białka, a szczególnie białka

enzymatyczne

enzymatyczne

•

Białka same się nie odtwarzają i dlatego życie

Białka same się nie odtwarzają i dlatego życie

jest możliwe w wyniku współdziałania

jest możliwe w wyniku współdziałania

mechanizmu replikacji DNA, posiadającego

mechanizmu replikacji DNA, posiadającego

geny determinujące powstawanie różnych

geny determinujące powstawanie różnych

białek

białek

•

Białka także mają budowę łańcuchową a

Białka także mają budowę łańcuchową a

najmniejszymi jego ogniwami są aminokwasy

najmniejszymi jego ogniwami są aminokwasy

połączone wiązaniami petydowymi

połączone wiązaniami petydowymi

•

Liczba aminokwasów wynosi 20, ale sposób ich

Liczba aminokwasów wynosi 20, ale sposób ich

ułożenia w białku jest nieograniczony

ułożenia w białku jest nieograniczony

•

Analogia strukturalna DNA i białek sugeruje,

Analogia strukturalna DNA i białek sugeruje,

że są to łańcuchy kolinearne

że są to łańcuchy kolinearne

21

Transkrypcja

Transkrypcja

•

Pierwszym etapem jest przeniesienie

Pierwszym etapem jest przeniesienie

informacji genetycznej z DNA na RNA –

informacji genetycznej z DNA na RNA –

proces nazywa się transkrypcją

proces nazywa się transkrypcją

•

DNA znajduje się w jądrze komórkowym w

DNA znajduje się w jądrze komórkowym w

chromosomach

chromosomach

•

Synteza białek odbywa się w cytoplaźmie

Synteza białek odbywa się w cytoplaźmie

•

Nić DNA nie przedostaje się przez pory w

Nić DNA nie przedostaje się przez pory w

błonie jądrowej

błonie jądrowej

•

Konieczna jest obecność pośredniczącej

Konieczna jest obecność pośredniczącej

struktury a tą jest RNA

struktury a tą jest RNA

22

Transkrypcja

Transkrypcja

•

Transkrypcja jest to proces „przepisania”

Transkrypcja jest to proces „przepisania”

informacji z DNA na RNA – tylko jedna nić jest

informacji z DNA na RNA – tylko jedna nić jest

przepisywana

przepisywana

•

W DNA

W DNA

eksony

eksony

to miejsca aktywne pod

to miejsca aktywne pod

względem informacji genetycznej

względem informacji genetycznej

•

Introny

Introny

– miejsca nieaktywne

– miejsca nieaktywne

•

RNA po transkrypcji - przepisaniu informacji –

RNA po transkrypcji - przepisaniu informacji –

zawiera eksony i introny – jest to nić

zawiera eksony i introny – jest to nić

preRNA

preRNA

•

W wyniku wielu reakcji i udziałowi enzymów następuje

W wyniku wielu reakcji i udziałowi enzymów następuje

wycięcie intronów. Inne enzymy ligazy łączą nić RNA

wycięcie intronów. Inne enzymy ligazy łączą nić RNA

(redagowanie) i powstaje mRNA bez intronów, który

(redagowanie) i powstaje mRNA bez intronów, który

przedostaje się do cytoplazmy przez mikropory w błonie

przedostaje się do cytoplazmy przez mikropory w błonie

jądrowej

jądrowej

23

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/gen_eu/(12-18).gif

Wiele genów eucariotycznych posiada sekwencje kodujące i
sekwencje wtrącone (interveving sequences), które oddzielają
sekwencje kodujące - eksony. Takie sekwencje nazwano

intronami

.

U Eucaryota intronów jest znacznie więcej niż u Procaryota w
genach.
Np. w genomie drożdży znajduje się około 240 intronów a w
jeden gen ssaka zawiera ponad 50 intronów.
Oznacza to konieczność wycięcia intronów po transkrypcji z
DNA na RNA
Eksony muszą być połączone w poprawnym porządku i tak
powstały traskrypt musi funkcjonować jako dojrzały mRNA
Wycinanie intronów i proces składania eksonów to
proces – redagowanie (splicing) mRNA z preRNA

Translacja

Translacja

•

Najważniejszym problemem jest zrozumienie jak z

Najważniejszym problemem jest zrozumienie jak z

języka kwasów nukleinowych przejdziemy do języka

języka kwasów nukleinowych przejdziemy do języka

białek czyli przechodzimy do następnego etapu -

białek czyli przechodzimy do następnego etapu -

translacji

translacji

•

Kolejność nukleotydów w DNA odpowiada kolejności

Kolejność nukleotydów w DNA odpowiada kolejności

aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym

aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym

•

Trzy kolejno położone obok siebie nukleotydy kodują

Trzy kolejno położone obok siebie nukleotydy kodują

jeden aminokwas, czyli DNA koduje właściwości

jeden aminokwas, czyli DNA koduje właściwości

białek (polipeptydów) poprzez ich skład

białek (polipeptydów) poprzez ich skład

aminokwasowy

aminokwasowy

25

TRANSLACJA

TRANSLACJA

•

Liczba nukleotydów wynosi 4, aminokwasów 20, czyli dla

Liczba nukleotydów wynosi 4, aminokwasów 20, czyli dla

pełnej informacji potrzeba 4

pełnej informacji potrzeba 4

3

3

= 64 kombinacje

= 64 kombinacje

•

Trzy sąsiadujące nukleotydy na nici DNA/RNA tworzą

Trzy sąsiadujące nukleotydy na nici DNA/RNA tworzą

tryplet

tryplet

– kodon, znak, wyraz - kodujący jeden aminokwas

– kodon, znak, wyraz - kodujący jeden aminokwas

•

AUG – koduje metioninę

AUG – koduje metioninę

•

UGG – koduje tryptofan

UGG – koduje tryptofan

CECHY KODU GENETYCZNEGO

CECHY KODU GENETYCZNEGO

:

:

1.

1.

Jest zdegenerowany

Jest zdegenerowany

- kilka trypletów może kodować ten

- kilka trypletów może kodować ten

sam aminokwas

sam aminokwas

2.

2.

Jest bezprzecinkowy

Jest bezprzecinkowy

, nie ma przerw pomiędzy trypletami,

, nie ma przerw pomiędzy trypletami,

mamiast tego mamy to trzy tryplety nonsensowne

mamiast tego mamy to trzy tryplety nonsensowne

pełniące ważną funkcję np. UAA – znak stop

pełniące ważną funkcję np. UAA – znak stop

3.

3.

Jest uniwersalny

Jest uniwersalny

te same zasady dotyczą wszystkich

te same zasady dotyczą wszystkich

organizmów

organizmów

4.

4.

Jest niezachodzący

Jest niezachodzący

– pierwszy nukleotyd z jednego

– pierwszy nukleotyd z jednego

trypletu nie może być ostatnim z poprzedniego

trypletu nie może być ostatnim z poprzedniego

26

27

Zasady kodu genetycznego

* - kodon incjalny AUG (metionina)

* - kodon
terminalny

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/dna_bia/tRNAst
r.gif

W procesie translacji bierze udział tRNA o specyficznej
budowie

Translacja

•

Synteza łańcucha polipetydowego odbywa się na powierzchni

Synteza łańcucha polipetydowego odbywa się na powierzchni

rybosomów

rybosomów

•

Jeden aminokwas tworzy połączenie tylko z jednym tRNA

Jeden aminokwas tworzy połączenie tylko z jednym tRNA

•

Istnieje 61 różnych tRNA, odpowiadających liczbie aminokwasów

Istnieje 61 różnych tRNA, odpowiadających liczbie aminokwasów

wchodzących w skład białka

wchodzących w skład białka

• W komórce Esherichia coli znajduje się około 20 000 rybosomów

w cytoplaźmie. U organizmów wyższych jest ich wielokrotnie
więcej

• Rybosomy koordynują syntezę białek przez umieszczanie we

właściwych miejscach mRNA i tRNA – z aminokwasem oraz
czynniki białkowe biorące udział w translacji

• Rybosomy zbudowane są dwóch podjednostek o róznej wielkości

w zależności od gatunku

29

Rybosom

30

http://img695.imageshack.us/img695/872/rybosom.jpg

Rybosom zbudowany jest z dwóch
podjednostek: małej i dużej.
Zbudowany jest z białek i
rybosomalnego RNA – rRNA.
Podjednostki rybosomu są ze sobą
połączone tylko podczas translacji –
po zakończeniu translacji danego
łańcucha polipetydowego
podjednostki rozdzielają się, a
podczas inicjacji translacji
podjednostki (jedna duża i jedna
mała) łączą się ze sobą, odtwarzając
rybosom

31

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/gen_eu/MB-30-
10(968).gif

Schemat translacji

32

http://foty.ifd.pl/sb.asp?
w=520&p=7/images2002/20020921211555.JPG

33

http://www.bryk.pl/s%C5%82owniki/s
%C5%82ownik_biologiczny/img/00000789.png

34

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1a/TRNA_ri
bosomes_diagram_pl.svg/300px-
TRNA_ribosomes_diagram_pl.svg.png

Zakończenie translacji

35

„Wielu sądziło, że wiedzę o mechanizmach rządzących życiem
da nam rozszyfrowanie budowy genów. Tymczasem dopiero
znajomość ich produktów - białek może być kluczem do
rozwiązania zagadki. Ich poznawanie może jednak zająć
dziesiątki lat”.

MAGDALENA FIKUS napisała w artykule WITAMY W ERZE POSTGENOMOWEJ

http://archiwum.wiz.pl/images/duze/2001/04/01040001.jpg

36

Polipetyd uwolniony z rybosomu po translacji jest nieaktywny
i musi być poddany procesom potranslacyjnym tak aby mógł
spełniać swoją rolę w komórce – czyli musi poddany
mechanizmom obróbki potranslacyjnej.

1.Polipeptyd będzie aktywny dopiero wtedy gdy zostanie sfałdowany
w prawidłową strukturę trzeciorzędową,
2.Niektóre białka muszą zostać pocięte proteazami, które usuwają
fragmenty końcowe z jednej lub drugiej strony łańcucha. Dzięki temu
mogą powstać różnej długości fragmenty,
3.Poszczególne

aminokwasy

w

polipeptydzie

mogą

być

modyfikowane przez przyłączanie nowych grup chemicznych,
4.Wycinanie

intein

.

5.Inteiny

to sekwencje przerywnikowe i podobnie jak w mRNA

muszą być usunięte po to aby białko było aktywne.
6.Pozostałe fragmenty nazwane zostały

eksteinami

i to one tworzą

aktywne białko.

Niektóre białka wymagają wszystkich wymienionych
procesów

równocześnie

dla

prawidłowego

funkcjonowania.

Komórka eukariotyczna i
prokariotyczna

Królestwa :
Bakteria
Archea

10 razy dłuższe, 1000 razy większa objętość

38

Procaryota – podkrólestwo, obejmujące jednokomórkowe

organizmy: eubakterie i archebakterie. Obecnie zaczyna

dominować pogląd, że żyjące w ekstremalnych środowiskach

archebakterie stanowią grupę organizmów różniących się zarówno

od Procaryota jak i Eucaryota.

Eucaryota

–

podkrólestwo,

obejmujące

organizmy

wielokomórkowe.

Genom procariota – superhelikalna, kolista cząsteczka DNA

zwana chromosomem bakteryjnym.

Porównując wielkość komórek organizmów wielokomórkowych i

jednokomórkowych zwracamy uwagę na skomplikowaną budowę

tych pierwszych i stosunkową prostą tych drugich.

A przecież skomplikowane i złożone procesy przebiegają u jednych

i drugich organizmów tak, aby mogły normalnie funkcjonować i być

przekaźnikiem informacji genetycznej na dalsze pokolenia.