Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe

kwas nukleinowy

nukleotyd

nukleozyd

+ H

3

PO

4

cukier + zasada azotowa

Budowa kwasów nukleinowych

Budowa kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe to długie polimery zbudowane
z

nukleotydów

.

Nukleotydy składają się z:



5-cio węglowego cukru - pentozy



zasady azotowej



fosforanu

cukier – fosforan - cukier – fosforan - cukier - fosforan

zasada

zasada

zasada

Schemat budowy kwasu nuklienowego

nukleotyd 1

nukleotyd 2

nukleotyd 3

Są 2 rodzaje kwasów nukleinowych:
1. Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA)
2. Kwas rybonukleinowy (RNA)

Kwas

nukleinowy

Cukier

Zasada

DNA

deoksyryboz

a

adenina (A)

tymina (T)

guanina (G)

cytozyna (C)

RNA

ryboza

adenina (A)

uracyl (U)

guanina (G)

cytozyna (C)

DNA i RNA

-D-ryboza
(w RNA)

2-deoksy- -D-ryboza
(w DNA)

Cukier

Cukier

Zasady azotowe

Zasady azotowe

tylko w RNA tylko w DNA

puryny

pirymi-
dyny

puryna

adenin
a

guanina

cytozyna

uracyl

tymina

pirymidyn
a

H

Nukleozyd
y

Nukleozyd
y

Zasada jest połączona z cukrem wiązaniem -N-

glikozydowym.

Nukleozyd= cukier + zasada

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

O

P

-

O

O

-

O

wiązanie -glikozydowe

H

Nukleozydy zawierające rybozę

cytydyn
a

urydyna

adenozyna

guanozyna

Nukleotydy są estrami fosforowymi nukleozydów.

Nukleotydy zawierające rybozę

Nukleozydotrifosforany

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

O

P

-

O

O

-

O

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

CH

2

H

O

P

O

OH

O

P

OH

O

O

P

O

OH

HO

ATP

AM
P

N

N

N

N

NH

2

O

H

H

H

H

H

NH

N

N

O

NH

2

N

O

H

H

H

H

H

O

P

O

O

HO

O-

N

N

N

N

NH

2

O

H

O

H

H

H

H

P

O

O

O-

NH

N

N

O

NH

2

N

O

H

H

H

H

H

O

P

O

O

HO

O-

NH

N

N

O

NH

2

N

O

H

H

H

H

H

OH

OH

OH

PH

O

O

O-

NH

N

N

O

NH

2

N

O

H

H

H

H

H

OH

OH

P

O

O

P

O

O

O-

Łańcuch nukleotydowy

F

C

F

C

F

C

A

T

G

5’ koniec

3’ koniec

wiązanie 3’-5’
fosfodiestrowe

RNA

DNA

W 1953 Watson i
Crick zaproponowali
model podwójnej

helisy

jako strukturę DNA

Struktura DNA

Struktura DNA

(nagroda Nobla 1962).

Model DNA Watsona i Crick’a

Widok z
góry

Widok z
góry

Łańcuch z cukrów

i fosforanów

Hydrofobowy

środek złożony z

par zasad

Guanina z
cytozyną G C (3
wiązania)

Adenina z tyminą
A=T (2 wiązania)

zasady komplementarne

Zasady z 2 nici DNA łączą się ze sobą wiązaniami
wodorowymi.

Łańcuchy biegną w
przeciwnych kierunkach

Istotne cechy strukturalne DNA
(podsumowanie)

1. Dwa helikalne łańcuchy oplatają wspólną oś.
2. Łańcuchy biegną w przeciwnych kierunkach.
3. Rdzeń cukrowo-fosforanowy biegnie na zewnątrz, a
zasady zwrócone są do wewnątrz helisy.
4. Płaszczyzny zasad są prostopadłe do osi helisy.
5. Na jeden skręt helisy przypada 10 nukleotydów.
6. Ogromne cząsteczki, masy cząsteczkowe rzędu
milliardów.



Wiązania wodorowe



Oddziaływania hydrofobowe



Oddziaływania jonowe

Czynniki stabilizujące podwójną helisę

Czynniki stabilizujące podwójną helisę

Mg

2+

Organizacja DNA w komórce

Całkowity DNA zawarty w komórce danego organizmu
nazywamy genomem. Zawiera on geny (fragmenty
kodujące białka) i fragmenty nie kodujące informacji
genetycznej.

Zsekwencjonowanie genomu człowieka (rok 2000)

Genom ludzki – 3 mld par zasad.
Regiony kodujące białka stanowią tylko 3% genomu.

Chromosom

– pojedyncza dwuniciowa czasteczka DNA,

połączona z białkami.
Zawiera:

• wiele genów

• sekwencje regulatorowe

Chromosomy są zlokalizowane w jądrze i kodują
informację genetyczną.
W somatycznych komórkach człowieka materiał
genetyczny zorganizowany jest w 46 chromosomów o
łącznej długości 200 m.

• DNA jest magazynem informacji

genetycznej, przekazywanej do komórek
potomnych.

• Informacja zawarta w DNA jest

przepisywana na mRNA.

• Sekwencja nukleotydów w mRNA koduje

sekwencję aminokwasów w białkach.

Przepływ informacji genetycznej

Przepływ informacji genetycznej

replikacja

transkrypcja

translacja

białko

Przepływ informacji genetycznej

Przepływ informacji genetycznej

Replikacja

Do replikacji potrzebne są:
1.dATP, dGTP, dCTP, dTTP oraz jony Mg

2+

2.Matrycowy łańcuch DNA
3.Polimerazy DNA (katalizują tworzenie wiązań
fosfodiestrowych)
4.Starter (krótki fragment RNA)

Polimerazy mają też zdolność naprawiania błędów w
sekwencji.
Replikacja przebiega bardzo wiernie:
1 mylna zasada na 10

8

nukleozydo-
trifosforan

pirofosforan

nowy
łańcuch

matrycowy
łańcuch

cukier

fosforan

zasada

Replikacja

DNA
polimeraza

Replikacja

semikonserwatywna

Polimeraza DNA
dobudowuje nowy
łańcuch zawsze
w kierunku 5’ 3’.
Dobudowuje zawsze
do fragmentu RNA.

Pęknięcia nici DNA

- ligaza DNA naprawia przerwane

wiązania fosfodiestrowe (energia z ATP).

Naprawa DNA

Uszkodzenie zasady -

wycinanie i naprawianie pojedyn-

czych zasad, które uległy modyfikacjom chemicznym
(np. alkilacji, deaminacji).
Proces ten zachodzi etapowo:
•

Glikozydaza

DNA przecina wiązanie β-N-glikozydowe

i usuwa uszkodzoną zasadę tworząc miejsce AP
(apurynowe lub apirymidynowe).
•

Endonukleaza

AP rozpoznaje to miejsce i usuwa kilka

sąsiednich nukleotydów.
• Do wolnych końców wiąże się

polimeraza DNA

, która

wypełnia lukę nowymi zasadamią.
•

Ligaza DNA

łączy obie nici.

Kod genetyczny

Kod genetyczny

– reguła, według której informacja

genetyczna, zawarta w sekwencji DNA lub RNA może
ulegać tłumaczeniu na kolejność (sekwencję)
aminokwasów w białkach.

Sekwencja 3 nukleotydów
(kodon) - koduje 1 aminokwas
np. AUG

Cechy kodu genetycznego

TRÓJKOWY – 3 nukleotydy tworzą kodon.
NIEZACHODZĄCY – kodony nie zachodzą na siebie.
BEZPRZECINKOWY – pomiędzy kodonami nie ma zasad bez
znaczenia dla translacji.
ZDEGENEROWANY – różne kodony (różniące się na ogół tylko
trzecim nukleotydem) mogą kodować ten sam aminokwas, tzn.
prawie wszystkie aminokwasy mogą być zakodowane na kilka
sposobów.
JEDNOZNACZNY – danej trójce nukleotydów w DNA
odpowiada zawsze tylko jeden aminokwas.

Nirenberg, Holley i Khorana

- Nagroda Nobla w 1968 r

za rozpracowanie kodu genetycznego i odkrycie jego roli
w syntezie białek.

•Pojedyncza nić
•Znacznie mniejsze cząsteczki niż DNA
•Chemicznie mniej trwały niż DNA
•Różnorodne funkcje

RNA

RNA

Typ

Skrót

% całego RNA Funkcja

rybosomalny

rRNA

75

Główny

składnik

rybosomów

informacyjny

mRNA

5-10

Przenosi

informację o

sekwencji

białek

transportujący

tRNA

10-15

Przenosi

aminokwasy

do miejsca

syntezy białka

Rodzaje RNA

•Rybosomalny

RNA (rRNA) – w formie kompleksu

z
białkami stanowi budulec rybosomów, małych
granularnych cząstek w cytoplazmie komórki,
gdzie
odbywa się biosynteza
białek.
Rybosomy – 65% rRNA
35%
białka

Składają się z małej i
dużej podjednostki.
Każda zbudowana jest
z jednej lub większej
liczby cząsteczek
rRNA i
różnych białek.

•Informacyjny

(messenger) RNA (mRNA) – tworzy

się na matrycy DNA.

Jest to proces transkrypcji

(proces anaboliczny

–
potrzebna energia z trifosforanów
nukleozydów).
Transkrypcja zachodzi w jądrze, zawsze zaczyna
się
od trójki AUG.

Potrzebne są:
- trifosforany nukleozydów
- polimeraza RNA
- matryca DNA

Transkrypcja

Uproszczony schemat
transkrypcji

Schemat transkrypcji

Etapy transkrypcji:

1.RNA polimeraza rozpoznaje miejsce promotorowe i
przyłącza się do matrycy DNA.
2. DNA rozplata się na pewnym odcinku.
3. Polimeraza syntezuje nić komplementarną.
4. Nić RNA jest syntetyzowana w kierunku 5’--> 3’.

5. Koniec transkrypcji – gdy polimeraza RNA trafi na
specjalną sekwencję nukleotydów, tzw.

terminalną

.

-oddzielenie polimerazy od DNA
-odłączenie gotowej cząsteczki RNA (transkryptu)
-odtworzenie wiązań wodorowych pomiędzy
nićmi DNA

•Dołączenie

czapeczki guanylowej

na 5'-końcu mRNA.

Czapeczka guanylowa to nietypowy nukleotyd
(7-metyloguanozyna). Chroni mRNA przed nukleazami w
cytoplazmie.

Obróbka posttranskrypcyjna

mRNA

Nietypowe wiązanie 5’-5’

•Dołączenie

ogonka poliA

na 3'-końcu mRNA.

Ogonek poliA jest krótką nicią złożoną z kilkudziesięciu
nukleotydów adeninowych. Zabezpiecza mRNA przed
degradacją, zanim zdąży on opuścić jądro komórkowe.

AAAAAAAAAA

mRNA

5’

3’

cap

• Splicing

, czyli usuwanie intronów

.

W komórkach eukariotycznych geny zawierają:
- eksony, które kodują białka
- introny, które nie kodują białek
W jądrze powstaje pre-mRNA, a następnie introny są
wycinane, a mRNA przechodzi do cytoplazmy.

mRNA powstaje w jądrze, a następnie przechodzi do
cytoplazmy.

•Transportujący

(transfer) RNA (tRNA)

–

przenosi aminokwasy do rybosomów, gdzie
następuje synteza białek.
Małe cząsteczki (70-100) nukleotydów, w
kształcie liścia koniczyny.

Antykodon-sekwencja
3 nukleotydów
komplementarnych do kodonu.

antykodon

miejsce wiążące
aminokwas

Proces syntezy łańcucha białka na matrycy mRNA.

Mała podjednostka rybosomu odczytuje mRNA.
Duża podjednostka łączy aminokwasy w łańcuch
peptydowy.
Podjednostki rybosomu są ze sobą połączone tylko
podczas translacji – po zakończeniu translacji danego
łańcucha białkowego podjednostki rozdzielają się.

Proces translacji (biosyntezy białka)

Proces translacji (biosyntezy białka)

Etapy translacji:

1.Aktywacja

– powstawanie aminoacylo-tRNA.

aminokwas

2.

Inicjacja

Mała
podjednostka
przyłącza się do
końca 5’ mRNA

Met-tRNA
przyłącza się
do kodonu
startu
AUG

Przyłącza się duża
podjednostka,
a Met-tRNA
zajmuje miejsce P.

2.

Inicjacja

3.

Elongacja

Overview of Elongation

3.

Elongacja

4

. Terminacja

Translacja

Proces translacji (podsumowanie)

Proces translacji (podsumowanie)

DNA-zależna
RNA-polimeraza

DNA-zależna
DNA-polimeraza

Synteza białka
podsumowanie

Mutacje genowe

Mutacja – zmiana w materiale genetycznym.

Nazwa

Informacje

spontaniczne zachodzą samorzutnie – błędy DNA-

polimerazy

indukowane

zachodzą pod wpływem mutagenów

•Powstawanie mutacji

Mutageny:

•promieniowanie UV
•substancje chemiczne
•niektóre wirusy

benzopiren

Nazwa

Informacja

Substytucja

Zastępowanie jednej zasady

azotowej inną zasadą

Delecja

Wypadnięcie jednej lub kilku par

nukleotydów

Insercja

Wstawienie jednej lub kilku par

nukleotydów

•Podział mutacji genowych

Przykład mutacji – substytucja jednej zasady

DNA CCG RNA GGC glicyna

DNA TCG RNA AGC seryna

Przed
mutacją

Po
mutacji

Efekt mutacji

DNA

zmienione
DNA

niewłaściwe
białko

(mutacja w komórkach rozrodczych)

choroba genetyczna

(mutacja w komórkach somatycznych)

nowotwór

UV
mutageny
wirusy

Choroby genetyczne

Powstają gdy np. enzym ma zmienioną budowę.

Fenyloketonuria –

mutacja genu odpowiedzialnego

za aktywność enzymu

hydroksylazy fenyloalaninowej,

który jest niezbędny w metabolizmie fenyloalaniny.

Albinizm –

mutacja genu odpowiedzialnego

za aktywność enzymu

tyrozynazy

, który jest niezbędny w

tworzeniu pigmentu skóry, melaniny.

GMO – organizm, którego materiał genetyczny

został zmieniony przy pomocy technik inżynierii

genetycznej.

Genetycznie modyfikowane organizmy
(GMO

)

GMO = genom organizmu + nowe DNA

Pierwsze cząsteczki rekombinowanego
DNA -

Paul Berg

w 1972.

Urodzony - 1926, New York
Nagroda Nobla z Chemii -
1980

Rekombinowany DNA

– DNA zawierający fragmenty DNA z innych

komórek.

Pierwszy organizm modyfikowany w laboratorium

bakteria E. coli

Plazmidy

, koliste DNA – łatwe do izolacji.

Enzymy restrykcyjne

– enzymy z grupy endonukleaz

przecinające nić DNA w miejscu wyznaczanym przez
specyficzną sekwencję DNA.

Cięcie

Lepkie
końce

Enzym restrykcyjny przecina pomiędzy G i A

Powstawanie rekombinowanego DNA

Klonowanie do plazmidu

Obce DNA wstawia się do plazmidu,
a plazmid z powrotem do bakterii.
Bakterie namnażają się szybko i
produkują białko zakodowane we
wstawionym fragmencie.

Obecnie GM bakterie są używane do produkcji:

• insuliny

• czynników krzepliwości (dla chorych na hemofilię)

• hormonu wzrostu (do leczenia karłowatości)

wirusowe
RNA

Informacja genetyczna idzie z

RNA do DNA

odwrotna

transkryptaza

synteza DNA

komplementarnego

do RNA

hydroliza RNA

odwrotna

transkryptaza

odwrotna

transkryptaza

synteza drugiej
nici DNA

hybryda
RNA-DNA

DNA transkrypt
wirusowego RNA

podwójna nić
wirusowego
DNA

Cykl wirusa HIV (

retrowirusa)

Naturalne formy transferu genów

Naturalne formy transferu genów

Myszy transgeniczne

Technika otrzymywania zwierząt transgenicznych

-początek lat 80-tych.
Genetycznie modyfikowane myszy – odpowiednie DNA
wstrzykuje się do embrionów mysich, a embriony
implantuje samicom. Zwykle jeden gen jest nieaktywny.
Powoduje to zmiane wyglądu lub zachowania.
Używane do badania szlaków biochemicznych, chorób,
nowych leków.