Kwasy nukleinowe i ich rola biologiczna
Kwasy nukl. są makromolekułami o masie cząsteczkowej od około 10 tyś do kilkuset mln. daltonów [atomowa jednostka masą równą 1/12 masy atomu węgla C=1/66 x 10-27 kg. Znane są 2 typy tych kwasów występujących w materiale biologicznym:
1.kwas dezoksyrybonukleinowy -DNA
2.kwas rybonukeinowy -RNA
DNA - stanowi mat. genet. i znajduje się w jądrze kom. i mitochondriach. Strukturę przestrzenną DNA przedstawia model podwójnej spirali wg. Watsona i Cricka
W podwójnej cząsteczce, zasady są ułożone komplementarnie parami(Ł=A C=G). Dwie nici są skręcone śrubowo ze sobą.
W RNA strukturę przestrzenną stanowi pojedyncza nić różnie ułożona przestrzennie w zależności od rodzaju kw. rybonukeinowego.
RNA bierze udział w procesach biosyntezy białek w cytoplazmie. Wyst. w jądrze kom.; w jąderkach (szczególnie bogat w RNA)
Na podstawie funkcji można wyróźnić 3 typy RNA:
1.tRNA- transportujący RNA- f.polega na wiązaniu i przenoszeniu zaktywowanych a-asów do miejsc syntezy białka, czyli do rybosomów.
2.rRNA- rybosomalny RNA- wyst. w rybosomach, gdzie pełni f. strukturalne; w połączeniu z określonymi białkami i mRNA stanowi matrycę, na której wytwarza się łańcuchy polipeptydowe.
3.mRNA- informacyjny, matrycowy RNA- f. polega na przenoszeniu do miejsc syntezy białka, informacji zawartych w DNA; dotyczą one kolejności dołączonych a-asów.
Org. człowieka dorosłego zawiera ok. 30g DNA i 30g RNA
Znaczenie biomedyczne.
1.Chemiczna podstawa dziedziczności i chorób genetycznych jest zawarta w strukturze DNA.
2.Główny szlak informacyjny
(tj. kierowanie przez DNA syntezą RNA, który z kolei kieruje syntezą białek) został wyjaśniony, a wiedza ta została użyta dla sprecyzowania fizjologii komórkowej i patofizjologii chorób na poziomie molekularnym.
BUDOWA I RÓŻNICE W SKŁADZIE DNA I RNA.
Kw. nukl. są polimerami mononukleotydów, które można rozłożyć na nukleozydy i reszty kw. ortofosforowego.
Nukleozyd to połączenie cukru (rybozy lub deoksyrybozy) z zasadą purynową lub pirymidynową, bez reszty fosforanowej.
Nukleotyd to połączenie nukleozydu z resztą fosforanową.
RNA spełnia inne f. nie podlega reperacją i zawiera uracyl jako mat. budulcowy ekonomiczniejszy od tyminy.
DNA służy jako matryca do replikacji i transkrypcji.
W czasie repl. Każde z 2 pasm DNA służy jako matryca nowego, komplementarnego pasma.
Biosynteza RNA, czyli transkrypcja związana jest z przepisaniem informacji zawartych w strukturze pierwszorzędowej DNA.
DNA jest obecny w kom. , głównie w połączeniach z białkami o charakterze zasobowym zwanych histonami (przewaga a- asów zasadowych: argininy i lizyny).
DNA łatwo ulega denaturacji polegającej na rozerwaniu wiązań wodorowych między komplementarnymi zasadami łańcucha polinukleotydowego
Denaturację kw. nuklein. wywołuje: - podwyższona tem. - wysokie stęż jonów wodorowych ;- alkohole; - fenole
BIOSYNTEZA BIAŁEK
DNA jest nośnikiem informacji genet. przenoszonych za pośrednictwem m RNA do rybosonów, gdzie służy jako zapis kolejności przyłączonych przy budowie białka a-asów. Współzależność w kolejnych fragm. mRNA i kolejność a- asów wytwarzanym łańcuchu peptydowym jest określona jako alfabet genetyczny lub kod genetyczny.
Fragment sekwencji nukleotydów na mRNA określa 1 aa , jest nazwany kodonem.
Litery A,G,T i C odpowiadają nukleotydom występującym w DNA; są one zorganizowane w 3-literowym kod zwany kodonem, a zbiór tych kodonów obejmuje kod genetyczny.
Kod genetyczny jest ciągły, system jego działania jednak jest wyposażony w znaki przestankowe, tzn. zawiera informacje o rozpoczęciu i zakończeniu syntezy łańcucha polipeptydowego.
Mechanizm inicjowania syntezy białka wiąże się z pojawieniem się na początku zapisu w mRNA kodonu AUG, kodującego Met lub GUG kodującego Val.
Znakami przerywającymi syntezę białka są kodony pomocnicze (kończące- UAA,UAG i UGA).
Gdy w przesuwającym się przez rybosom łańcuchu mRNA pojawi się jeden z tych kodonów, następuje zakończenie syntezy łańcucha polipeptydowego i odłączenie go od rybosomu co powoduje przerwę w dobudowie a-asów do wydłużanego łańcucha peptydowego. Dla pełnego bezpieczeństwa układ kończący stanowią zwykle co najmniej 2 trójki kończące.
Składniki kom.:DNA, mRNA, tRNA, a-asy i rybosomy współdziałają w złożonych procesach wytwarzając łańcuchy polipeptydowe.
Jest on nazywany TRANSLACJĄ, gdyż odbywa się w nim tłumaczenie informacji zawartych w genomie w postaci tripletów nukleotydów, na informacje o strukturze białka w postaci sekwencji a-asów w łańcuchu peptydowym. Sekwencja tripletów w łańcuchach DNA warunkuje sekwencję a-asów w łańcuchach polipeptydowych, zktórych utworzone są białka.
Synteza białka jest trójfazowa:
1.Inicjacja- pojawienie się w mRNA kodonu AUG lub GUG.
2.Elongacja- wydłużanie łańcucha, tj.:
-przyłączenie tRNA pasującego do kodonu, niosącego aktywny a-as następny w łańcuchu polipeptydowym;
-wytworzenie wiązania peptydowego;
-translokacja peptydylo-tRNA i uwolnienie tRNA z rybosomu;
-przemieszczenie mRNA o jeden kodon do przodu, w celu umieszczenia nowego kodonu.
3.Terminacja: -przerwanie translacji (pojawienie się kodonów kończących- UAA,UAG, UGA); -uwolnienie łańcucha polipeptydowego z rybosomu; -wytworzenie struktury wtórnej białka.
FOTOSYNTEZA. Jest procesem, w którym organizmy, zawierające aparat fotosyntetyczny (rośliny wyższe, glony i niektóre bakterie) zamieniają absorbowaną energię świetlną w chemiczną.
Energia chem. służy do pokrycia zapotrzebowania w endoergicznym procesie syntezy zw. org. z substancji prostych- CO2 i H2O. Substancje wyjściowe- CO2 i H2O mają niski potencjał chem. natomiast wytworzone z nich, podczas kolejnych przemian, sacharydy odznaczają się dużym zasobem en. swobodnej, zgodnie z reakcją sumaryczną:
6CO2+6H2O→ C6H12O6+6O2; ΔGO= 2872 kJ
Fotosynteza jest procesem odwrotnym do spalania glukozy.
F. jest więc źródłem energii chemicznej użytkowanej do prowadzenia procesów życiowych przez wszystkie istoty żywe.
Poza stroną energetyczną fotosynteza odgrywa na naszym globie doniosłe role w utrzymaniu równowagi między stęż. CO2 i O2 w powietrzu atm. gdyż zgodnie z podaną reakcją jest w nim wiązany CO2, a wydzielany O2 w równoważnych ilościach.
Mimo tak ogromnego znaczenia proces f. jest ograniczony do niewielu gatunków bakterii fotosyntetyzujących, glonów i roślin wyższych.
Absorpcja światła jest podstawą wszystkich procesów fotochemicznych zachodzących z udziałem organizmów żywych. Światło to strumień cząstek zwanych fotonami, które niosą określoną energię. Jest ona zależna od długości fali świetlnej α i może być obliczona w przybliżeniu z równania:
E= 11961 ⋅ 104/ α⋅ J/mol
Chemizm fotosyntezy.
Złożony pod względem mechanicznym proces fotosyntezy obejmuje jedyną reakcję wymagającą udziału światła, którą jest absorpcja en. kwantu świetlnego przez chlorofile a i b oraz dalsze reakcje, które mogą przebiegać bez udziału światła.
W związku z tym całą przemianę podzielono na nast. etapy:
1)fosforylacje fotosyntetyczne, w wyniku których następuje wytworzenie ATP z udziałem ADP i fosforanu nieorganicznego, obejmujące 2 mechanizmy:
-fosf. fot. niecykliczna, w której synteza ATP jest zw. z wytwarzaniem równoważnika redukcyjnego (NADPH);
-fosforylację fotosyntetyczną cykliczną, która włącza się przy niedoborze ATP
2)przyłączenie CO2 i jego redukcyjną przemianę do sacharydów;
3)regenerację pierwotnego akceptora CO2, czyli 1,5- bifosforanu rybulozy.
Barwniki fotosyntetyczne (chlorofile a i b) ulegają aktywacji pod wpływem en. padającej na nie kwantów świetlnych, a wybite z nich e. odbywają wędrówkę przez specyficzne przenośniki, które są zlokalizowane na błonach tylakoidów, podobnie jak dzieje się to w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym.
Dlatego wędrówka el. wybitych przez fotony i związana z nią synteza ATP jest określana jako fosf. cykl. i niecykl.
Fosf. fotos. niecykliczna: dzięki systemowi barwników asymilacyjnych elektron przeniesiony na wyższy poziom energetyczny (o znacznie ujemnym potencjale oksydoredukcyjnym) może wrócić do stanu podstawowego bezpośrednio (z wydzieleniem fotonu fluorescencji) lub drogą okrężną, przez oksydoredukcyjne przenośniki el. ułożone kolejno w błonach.
Wydzielona w tym procesie energia może być wtedy wykorz. do redukcji zw. utlenionych, jak i do wytw. ATP.
Fotosynteza to proces w którym rośliny zielone syntetyzują związki org. z CO2 i wody przy udziale światła słonecznego. F. zachodzi w chloroplastach (większość z nich znajduje się w liściach).
Energia absorbowana jest przez fotoreceptory (głównie zielony barwnik chlorofil).
H2O→2H++2e-+ ½ O2.
Elektrony uwalniane w tej reakcji są przenoszone przez wiele przekaźników i tracą w ten sposób swoją energię, która jest zużywana do przemiany ADP w ATP w procesie fosforylacji: ADP+∼P→ATP+H2O.
Elektrony i protony pochodzące z fotolizy H2O umożliwiają redukcję NADP:
2H++2e-+NADP+→NADPH+H+.
ATP i NADPH wytwarzane w reakcji świetlnej dostarczają odpowiednio energii i potencjału redukującego dla reakcji zachodzących bez udziału światła (reakcje ciemne, faza ciemna), które mogą przebiegać w ciemności. W czasie tego procesu CO2 jest redukowany do węglowodoru (danu) na drodze przemian metab. znanych jako cykl Calvina. F. można zapisać sumarycznym równaniem:
CO2+2H2O→[CHO]+H2O+O2.
Wszystkie formy życia są bezpośrednio lub pośrednio zależne od pokarmu roślinnego, dlatego f. jest podstawą życia na Ziemi. Ponadto cały tlen atmosf. powstał z tlenu uwalnianego w czasie fotosyntezy.