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
Schemat struktury widełek
replikacyjnych
matryca,
nić opóźniona
widełki replikacyjne,
primer,
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.
