Na kolokwium należy opanować materiał z ćwiczeń z 7-8.01.2011, więc trzeba poczytać notatki z tamtego wykładu, a do tego należy wiedzieć m.in. to:

- struktury białka

- podział białek ogólny

- budowa aminokwasu

- wiązania peptydowe

- budowa DNA i RNA

- transkrypcja

- translacja

- replikacja

- cechy kodu genetycznego

- struktura białek

• Struktura pierwszorzędowa

Liniowa sekwencja aminokwasów połączonych ze sobą za pomocą wiązania peplydowego jest nazywana strukturą pierwszo rzędową białka. W strukturze pierwszorzędowej białka zawierają się również kowalencyjne wiązania dwusiarczkowe między resztami cysteiny.

• Struktura drugorzędowa
  Struktura drugorzedowa białka dotyczy regularnego pofałdowania rejonów łańcucha polipeptydowego. Najczęściej występującymi typami struktury drugorzędowej są α helisa i struktura ß. α Helisa stanowi cylindryczne, spiralne ułożenie aminokwasów w łańcuchu polipeptyd owym, utrzymywane dzięki wiązaniom wodorowym, przebiegającym równolegle do osi helisy. W strukturze ß wiązania wodorowe powstają między przylegającymi częściami polipeptydu, które są ułożone w tym samym kierunku (równoległa struktura ß) lub w przeciwnych kierunkach (antyrównoległa struktura ß). Zwroty ß odwracają kierunek przebiegu łańcucha polipeptydowego i często łączą końce antyrównoległych struktur ß.

• Struktura trzeciorzędowa
  Struktura trzeciorzędowa to przestrzenne ułożenie wszystkich aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Ta biologicznie aktywna, narywna konformacja jest utrzymywana dzięki szeregowi wiązań niekowalencyjnych.

• Struktura czwartorzędowa
  W przypadku białek, w których skład wchodzi więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy, występuje struktura czwartorzędowa. Dotyczy ona przestrzennego ułożenia polipeptydowych podjednostek i natury oddziaływań miedzy nimi.

- Podział białek

Ze względu na budowę i skład, dzielimy białka na proste i złożone.

• Białka proste (proteiny) zbudowane są wyłącznie z aminokwasów. Dzielimy je na następujące grupy:

1. protaminy - są silnie zasadowe, charakteryzują się dużą zawartością argininy oraz brakiem aminokwasów
zawierających siarkę. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Najbardziej znanymi protaminami są: klupeina, Salmina, cyprynina, ezocyna, gallina.

2. histony - podobnie jak protaminy są silnie zasadowe i dobrze rozpuszczają się w wodzie; składniki jąder komórkowych (w połączeniu z kwasem deoksyrybonukleinowym), czyli są obecne także w erytroblastach. W ich skład wchodzi duża ilość takich aminokwasów jak lizyna i arginina.

3. albuminy - białka obojętne, spełniające szereg ważnych funkcji biologicznych: są enzymami, hormonami i innymi biologicznie czynnymi związkami. Dobrze rozpuszczają się w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. łatwo ulegają koagulacji. Znajdują się w tkance mięśniowej, osoczu krwi i mleku.

4. globuliny - w ich skład wchodzą wszystkie aminokwasy białkowe, z tym że kwas asparaginowy i kwas glutaminowy w większych ilościach; w odróżnieniu od albumin są źle rozpuszczalne w wodzie, natomiast dobrze w rozcieńczonych roztworach soli; posiadają podobne właściwości do nich. Występują w dużych ilościach w płynach ustrojowych i tkance mięśniowej.

5. prolaminy - są to typowe białka roślinne, występują w nasionach. Charakterystyczną właściwością jest zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu.

6. gluteliny - podobnie jak prolaminy - to typowe białka roślinne; posiadają zdolność rozpuszczania się w rozcieńczonych kwasach i zasadach.

7. skleroproteiny - białka charakteryzujące się dużą zawartością cysteiny i aminokwasów zasadowych oraz kolagenu i elastyny, a także proliny i hydroksyproliny, nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Są to typowe białka o budowie włóknistej, dzięki temu pełnią funkcje podporowe. Do tej grupy białek należy keratyna.

• Białka złożone (proteidy):

1. chromoproteiny - złożone z białek prostych i grupy prostetycznej - barwnika. Należą tu hemoproteidy (hemoglobina, mioglobina, cytochromy, katalaza, peroksydaza)
zawierające układ hemowy oraz flawoproteiny.

2. fosfoproteiny - zawierają około 1% fosforu w postaci reszt kwasu fosforowego. Do tych białek należą: kazeina mleka, witelina żółtka jaj, ichtulina ikry ryb.

3. nukleoproteiny - składają się z białek zasadowych i kwasów nukleinowych. Rybonukleoproteimy są zlokalizowane przede wszystkim w cytoplazmie: w rybosomach,
mikrosomach i mitochondriach, w niewielkich ilościach także w jądrach komórkowych, a poza jądrem tylko w mitochondriach. Wirusy są zbudowane prawie wyłącznie z
nukleoproteidów.

4. lipidoproteiny - połączenia białek z tłuszczami prostymi lub złożonymi, np. sterydami, kwasami tłuszczowymi. Lipoproteidy są nośnikami cholesterolu (LDL, HDL, VLDL). Wchodzą na przykład w skład błony komórkowej.

5. glikoproteiny - ich grupę prostetyczną stanowią cukry, należą tu m.in. mukopolisacharydy (ślina). Glikoproteidy występują też w substancji ocznej i płynie torebek stawowych.

6. metaloproteiny - zawierają jako grupę prostetyczną atomy metalu (miedź. cynk. żelazo, wapń. magnez, molibden, kobalt). Atomy metalu stanowią grupę czynną wielu
enzymów.

- budowa aminokwasu

α-Aminokwasy na atomie węgla α posiadają łańcuch boczny (R), który może zawierać pierścień aromatyczny, łańcuch alifatyczny, siarkę, grupę wodorotlenową, dodatkową grupę aminową bądź karboksylową. Atom węgla α takich aminokwasów jest atomem chiralnym, co oznacza, że każdy aminokwas może występować w dwóch konfiguracjach przestrzennych, oznaczanych zwyczajowo jako D i L. Występowanie tych aminokwasów i ich ułożenie w łańcuchu polipeptydowym (sekwencja) zależy od kodu genetycznego zapisanego w DNA. Kolejne reszty aminokwasowe w łańcuchu polipeptydowym połączone są ze sobą za pomocą wiązania peptydowego.

- wiązania peptydowe

Wiązanie peptydowe - umowna nazwa wiązania amidowego występującego między aminokwasami peptydów i białek. Wiązanie peptydowe łączy grupę α-aminową jednego aminokwasu z grupą α-karboksylową drugiego aminokwasu.

Występuje ono w dwóch formach izomerycznych: cis i trans. W wiązaniu peptydowym wyróżnić można dwie formy mezomeryczne (rezonansowe), nadające wiązaniu węgiel-azot częściowy charakter wiązania podwójnego. Efekt ten wzmacnia siłę wiązania oraz silnie hamuje rotację wokół wiązania C-N, dzięki czemu wiązanie jest płaskie. Możliwa natomiast jest rotacja wokół wiązań z grupami bocznymi.

- budowa DNA i RNA

Budowa DNA

DNA jest liniowym, nierozgałęzionym biopolimerem, dla którego monomerem są nukleotydy. Nukleotydy zbudowane są z: pięciowęglowego cukru deoksyrybozy, którego grupa hydroksylowa znajdująca się przy ostatnim atomie węgla jest zestryfikowana resztą fosforanową, a pierwszy atom węgla połączony jest wiązaniem N-glikozydowym z jedną z czterech zasad azotowych: adeniny A i guaniny G (zasady purynowe) oraz cytozyny C i tyminy T (zasady pirymidynowe).

Powszechnie spotykaną modyfikacją DNA jest występowanie 5-metylocytozyny (m5C) w wyniku metylacji cytozyny. W DNA niektórych wirusów, np. bakteriofagów PBS2. zamiast tyminy występuje uracyl, (U), tworząc nukleozyd Z-deoksyurydynę^'. 2-Deoksyurydyna powstaje też w wyniku deaminacji C do U.

W skład cząsteczki DNA zwykle wchodzą dwa łańcuchy (DNA dwuniciowy). które biegną antyrównolegle (tzn. koniec jednego jest dokładnie naprzeciw początku drugiego). Łańcuchy owijają się wokół wspólnej osi i tworzą tzw. prawoskrętną podwójną helisę. Reszty cukrowe i fosforowe, połączone ze sobą wiązaniem fosfod i estrowym, znajdują się na zewnątrz helisy, natomiast zasady skierowane są do wnętrza i tworzą pary zasad połączone według wzoru:

A-T (A-U)
G-C

T-A (U-A)
C-G

Zasady połączone są wiązaniami wodorowymi. Cząsteczki DNA mogą być bardzo długie. U Homo sapiens ich długość (po "rozkręceniu chromosomów") dochodzi w sumie do 2 m, gdzie najdłuższa cząsteczka ma 23 cm. W ścisłym skręceniu DNA do postaci chromosomu biorą udział białka histonowe lub niehistonowe. Każda z nici DNA ma na jednym końcu (oznaczanym jako koniec 5'). przy ostatnim nukleotydzie wolną grupę fosforanową przy węglu 5' deoksyrybozy, a na drugim końcu (oznaczanym jako koniec 3') ostatni nukleotyd posiada wolną grupę hydroksylową przy węglu 3' deoksyrybozy. Ze względu na to. że helisa dwóch nici DNA jest spleciona w ten sposób, że jedna z nici zaczyna się od końca 5' a druga od końca 3", mówi się, że obie nici są względem siebie anty równoległe.

Łańcuch nici DNA zawiera informację genetyczną o kolejności aminokwasów w białkach kodowaną w postaci trójek nukleotydowych odpowiadających odpowiednim aminokwasom podczas syntezy białka. Nazywamy to kodem genetycznym. Po "rozpakowaniu" z chromosomów, cząsteczka ludzkiego DNA miałaby około 180 cm.

Przestrzenna budowa DNA

Cząsteczka DNA składa się z 2 owiniętych wokół siebie łańcuchów polinukleidowych, co tworzy strukturę podwójnej helisy (jako pojedynczy łańcuch DNA występuje tylko u niektórych wirusów). Nici ułożone są względem siebie antyrównolegle - naprzeciw końca 5' (z wolnym 5-tym atomem węgla -dezyksorybozy) jednej nici znajduje się koniec 3' (z wolnym 3cim atomem węgla) drugiego łańcucha polinukleidowego.

W helisie DNA owinięte wokół siebie są dwie nici DNA, których zasady są skierowane do wnętrza helisy, a rdzeń cukrowo-fosforanowy jest eksponowany na zewnątrz. Dwie nici DNA są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe występujące w parach zasad. Adenina (A) zawsze tworzy parę zasad z łyminą (T), a guanina (G) z cytozyną (C).

- transkrypcja

Transkrypcja w genetyce oznacza proces syntezy RNA na matrycy DNA przez różne polimerazy RNA, czyli przepisywanie informacji zawartej w DNA na RNA.

Matryca jest odczytywana w kierunku 3' → 5', a nowa cząsteczka RNA powstaje w kierunku 5' → 3'. Transkrypcji podlega odcinek DNA od promotora do terminatora. Nazywamy go jednostką transkrypcji.

Podczas transkrypcji polimeraza RNA buduje cząsteczkę RNA łącząc zgodnie z zasadą komplementarności pojedyncze rybonukleotydy według kodu matrycowej nici DNA.

Transkrypcja u prokariotów

Inicjacja transkrypcji u prokariotów polega na związaniu się polimerazy RNA z odpowiednim odcinkiem pasma matrycowego DNA - tzw. promotorem. Polimeraza rozpoznaje sekwencje -35 i -10 promotora (a transkrypcja zaczyna się od nukleotydu +1). Specyficzność wiązania zapewnia czynnik σ (sigma). Rozsunięcie nici DNA na odcinku kilkunastu nukleotydów (czyli powstanie tzw. kompleksu otwartego) umożliwia wstawianie (włączenie) kolejnych, odpowiednich nukleotydów. Substratami są trifosforany rybonukleozydów (ATP, GTP, CTP i UTP). Transkrypcja zaczyna się od produkcji kilku krótkich (kilka nukleotydów) transkryptów. Dopiero po oddysocjowaniu czynnika σ może rozpocząć się kolejny etap - elongacja transkrypcji (wydłużanie RNA). Polimeraza RNA przesuwa się systematycznie wzdłuż helisy DNA, rozplatając ją (na odcinku kilkunastu par zasad) i wydłużając łańcuch RNA, przy czym nukleotydy włączane są zgodnie z zasadą komplementarności. Powyżej aktualnego miejsca syntezy powstający hybrydowy kompleks DNA - RNA ulega rozpadowi, DNA powraca do swojej pierwotnej dwuniciowej struktury, a łańcuch powstającego mRNA oddziela się. Etap elongacji kończy się, gdy polimeraza RNA dotrze do terminatora - sekwencji kończącej, wyznaczającej miejsce terminacji (zakończenia) transkrypcji. Transkrypt prokariotyczny nie wymaga dalszej obróbki, a translacja rozpoczyna się, zanim transkrypcja dobiegnie końca.

Transkrypcja u eukariotów

U eukariotów występuje kilka rodzajów polimeraz RNA, w tym zbudowane z wielu podjednostek polimerazy RNA działające w jądrze komórkowym oraz specyficzne dla mitochondriów i chloroplastów polimerazy RNA, które budową przypominają polimerazy RNA prokariontów. Różne jądrowe polimerazy RNA biorą udział w transkrypcji różnych klas RNA. Polimeraza RNA II (Pol II) syntetyzuje pre-mRNA i większość snRNA, polimeraza RNA I (Pol I) transkrybuje część rRNA, a polimeraza RNA III (Pol III) odpowiada za syntezę tRNA, 5S rRNA i innych małych jądrowych RNA.

W przeciwieństwie do polimerazy RNA bakterii, jądrowe polimerazy RNA organizmów eukariotycznych potrzebują do rozpoczęcia transkrypcji zestawu właściwych dla danej polimerazy podstawowych czynników transkrypcyjnych, ponieważ rozpoznają nie sekwencję promotora, ale kompleks kwas nukleinowy-białko.

- translacja

Translacja - proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Translacja jest drugim (po transkrypcji) procesem w biosyntezie białka. Powstawanie łańcucha polipeptydowego sterowane jest przez sekwencję mRNA. Translacja odbywa się w cytoplazmie lub na błonach szorstkiej siateczki wewnątrzplazmatycznej. Proces ten jest katalizowany przez rybosom obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, większej i mniejszej, które są zbudowane z białek i rRNA, a funkcję katalityczną pełnią enzymy (rybozymy) zawarte w dużej podjednostce rybosomu. Translacja na jednej cząsteczce mRNA może być prowadzona przez wiele rybosomów równocześnie. Taki kompleks mRNA związanego z wieloma rybosomami nazywa się polisomem lub polirybosomem.

Translacja składa się z czterech faz:

• aktywacji

• inicjacji

• elongacji

• terminacji

- replikacja DNA

Kopiowanie podwójnej helisy DNA jest procesem złożonym. Rozpoczyna się w miejscu inicjacji, liczącym ok. 200-300 par nukleotydów. Miejsce to oznacza się skrótem ori od ang. origin. Aby replikacja przebiegła prawidłowo, rozdzielenie obu nici musi zajść bez zniszczenia ich struktury podstawowej (I-rzędowej) i w odpowiednich warunkach, jak: dokładne odczytanie matrycy DNA, obecność odpowiedniej liczby wolnych nukleotydów, zachowania komplementarności. Na koniec musi dojść do terminacji replikacji, ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowopowstałej cząsteczki i połączenia nowych cząsteczek w helisę. U bakterii zakończenie replikacji jest niemal automatyczne (po skopiowaniu całego kolistego DNA, który jest pojedynczym replikonem. U eukariotów miejsc replikacji (replikonów) jest wiele, a jej terminacja zachodzi po zakończeniu wielu
procesów replikacyjnych zachodzących niemal jednocześnie w różnych miejscach replikujących cząsteczek DNA.

Do terminacji dochodzi, gdy widełki replikacyjne replikonu natkną się na specjalną sekwencję terminacyjną. Proces replikacji nie-kolistych (eukariotycznych) cząsteczek DNA wiąże się z problemem wolnych zakończeń powstających cząsteczek DNA. Zakończenia te, zwane telomerami składają sie z krótkich, ale wielokrotnie powtórzonych sekwencji. Replikazy wydłużają jedynie istniejące już nici, nie są natomiast w stanie
zsyntetyzować końcowych odcinków telomerów. W rezultacie odcinki te narażone są na regularne skracanie.

Skracaniu temu zapobiega obecność telomerazy, która przeprowadza odwrotna transkrypcję tych odcinków, posługując się jako "matrycą" nie DNA, ale RNA, będącym częścią składową tego enzymu. Zapobiega to odsłonięciu znaczących fragmentów DNA.

- cechy kodu genetycznego

Kod genetyczny jest kodem trójkowym.

Kod genetyczny jest zestawem reguł, które określają sposób, w jaki sekwencja nukleotydów w mRNA zostaje przetłumaczona na sekwencję aminokwasów w polipeptydzie. Sekwencja nukleotydów jest czytana trójkami o nazwie kodony. Kodony UAG, UGA i UAA nie specyfikują żadnego aminokwasu i są określone jako kodony
tenninacyjne, czyli kodony „stop". Kodon AUCi koduje metioninę i działa również jako kodon inicjujący, czyli „start".

Kod genetyczny jest zdegenerowany.

Większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon (tj. kod genetyczny jest zdegenerowany). Kodony specyfikujące ten sam aminokwas (synonimowe) często różnią się tylko trzecią zasadą, w pozycji tolerancji, w której parowanie zasad z antykodonem może być mniej dokładne niż w dwóch pierwszych pozycjach kodonu.

Kod genetyczny jest uniwersalny.

Kod genetyczny nie jest uniwersalny, ale jest laki sam w większości organizmów. Wyjątki występują w genomach mitochondrialnych, gdzie pewne kodony specyfikują aminokwasy odmienne od tych, które są normalnie kodowane przez geny jądrowe. W mitochondriach pewnych typów organizmów kodon UAG nie jest sygnałem zakończenia translacji, ale koduje tryptofan. U niektórych pierwotniaków kodony UAA i UAG nie oznaczają również Kod genetyczny nie jest uniwersalny, ale jest laki sam w większości organizmów. Wyjątki występują w genomach mitochondrialnych, gdzie pewne kodony specyfikują aminokwasy odmienne od tych, które są normalnie kodowane przez geny jądrowe. W mitochondriach
pewnych typów organizmów kodon UAG nie jest sygnałem zakończenia translacji, ale koduje tryptofan. U niektórych pierwotniaków kodony UAA i UAG nie oznaczają również terminacji translacji, lecz kwas glutaminowy, terminacji translacji, lecz kwas glutaminowy.

---