Biochemia Wykład VII 9.01.2015 rok

KWASY NUKLEINOWE, DNA, RNA

Rys. adeniny i guaniny oraz cytozyny, uracylu i tyminy

Kwasy nukleinowe a zwłaszcza ich zasady azotowe wywodzą się z przemian aminokwasów i należą do najbardziej istotnych składników komórki, gdyż stanowią materiał genetyczny, w którym zakodowane są informacje przekazywane z pokolenia na pokolenie.

Podstawową cegiełką budulcową kwasów nukleinowych są nukleotydy, połączone ze sobą wiązaniem 3’5’ fosfodiestrowym. Każdy nukleotyd zbudowany jest z zasady azotowej, połączonej wiązaniem N- glikozydowym z pierwszym węglem rybozy lub 2-D-deoksyrybozy. Do cukru tego przyłączone jest wiązaniem estrowym reszta kwasu fosforowego.

W skład kwasów nukleinowych wchodzą zasady purynowe lub pirymidynowe. Zasadami purynowymi są adenina i guanina, a zasadami pirymidynowymi są cytozyna, uracyl i tymina.

W skład DNA wchodzą adenina, guanina, cytozyna i tymina.

W skład RNA wchodzą adenina, guanina, cytozyna i uracyl. Kolejność nukleotydów w łańcuchu polinukleotydowym nazywana jest strukturą I rzędową kwasów nukleinowych.

Rys. urydynomonofosforanu, tymidyno fosforanu oraz fragmentu DNA (tri nukleotydu)

Skrócony zapis powyższego tri nukleotydu przedstawia się następująco:

dpTpGpC

5’->3’

Taki zapis oznacza, że w pierwszym nukleotydzie przy piątym węglu deoksyrybozy jest wolna reszta fosforanowa, niewiązana z następnym nukleotydem, a przy trzecim węglu deoksyrybozy ostatniego nukleotydu jest wolna grupa OH cukru. Kolejność nukleotydów jest zapisywana w kierunku 5’->3’. Jednym z największych odkryć XX wieku było wykazanie przez Watsona i Cricka, że DNA występuje w postaci podwójnej nici, skręconej prawoskrętnie wokół hipotetycznej osi. Nici te są ustawione przeciwbieżnie, tzn. 5’->3’ (na dole 3’->5’), dzięki czemu możliwe było wytworzenie wiązań wodorowych między parami zasad C i G, G i C oraz T i A. Połączenie zasad w pary, gdzie zawsze zasada purynowa łączy się z zasadą pirymidynową wiązaniem wodorowym powoduje, że sekwencja zasad w pierwszym łańcuchu określa kolejność zasad w drugim łańcuchu. DNA jest tak ułożone w przestrzeni, że reszty kwasów fosforowego i rybozy mające charakter hydrofilowy, ułożone są na zewnątrz helisy, a zasady azotowe mające charakter hydrofobowy- wewnątrz helisy. Dzięki takiej budowie cząsteczki DNA jest otoczona płaszczem wodnym, co daje jej trwałość. Dna posiada strukturę II rzędową, która polega na ułożeniu przestrzennym w postaci alfa- helisy dwóch komplementarnych nici. Badania nad tą strukturą wykazały, że średnica helisy wynosi około 2mm, a jeden obrót 3,4 nm. Na każdy obrót przypada 10 par zasad. Najbardziej charakterystyczną cechą cząsteczki DNA jest jej długość, która u człowieka waha się między 1,6, a 8,4 cm, a u bakterii Escherichia coli około 1,2 mm.

Rys. Dwunicowej helisy DNA

Najbardziej charakterystyczną cechą cząsteczki DNA jest jej długość, która u człowieka waha się między 1,6-8,4cm a u bakterii coli 1,2 mm. 

- U organizmów eukariotycznych DNA obecny jest w jądrze komórkowym, gdzie rozdzielony jest między chromosomy, w mitochandriach (1-2%, całości DNA jest on niskocząsteczkowy o budowie podobnej do bakteryjnego DNA).

- U roślin w chloroplastach jest niskocząsteczkowy, kulisty, 7-12%. DNA w chloroplastach.

- U bakterii obok DNA chromosonalnego, występuje DNA plazmidowy, ale jest on niskiej masie cząsteczkowej.  

ORGANIZACJA DNA W CHROMOSOMACH:

DNA zawarty w komórce bakterii np. Escherichia coli jest dwu-niciową kulistą cząsteczką określaną jaka chromosom bakteryjny. Cząsteczka DNA coli zorganizowana jest w około 50 pętli, przyłączonych do białkowego rusztowania, które połączona jest z błoną komórkową. To białkowe rusztowanie stanowią głównie białka podobne do białek histonowych. 

U eukariota DNA jądrowy jest ściśle upakowany w chromosomach i jest jego blisko 1000 razy więcej niż u bakterii Eschrichia coli . W każdym chromosomie jest 1 cząsteczka DNA. Jej długość zależy od konkretnego chromosomu. Stosunek ilości DNA w takim chromosomie do ilości białek wynosi 1:1. Upakowanie cząsteczki DNA w chromosomie polega na tworzeniu wielu nukleosomów połączonych ze sobą odcinkiem DNA łącznikowego. Każdy nukleosom zawiera odcinek dwuniciowego DNA o długości około 146 par zasad, nawinięty na rdzeń białkowy. 

Te nukleosomy tworzą struktury wyższego rzędu np. włókna. 

REPLIKACJA:

 W każdej żywej komórce przed podziałem ma miejsce powielanie DNA inaczej replikacja po to aby każda potrójną komórka byłą wyposażona we wszystkie potrzebne informacje. Biosynteza DNA, czyli replikacja odbywa się według modelu semikonserwatywnego polegającego na tym, że podwójna nić DNA musi ulec rozpleceniu i do każdej z nici odbudowywana jest nowa nić komplementarna. Pojedyncza rozpleciona nić stanowi matrycę na bazie której budowana jest nowa nić o kolejności zasad komplementarnej do nici starej

Głównymi enzymami tego procesu są:

- helikaza

- prymaza

- polimeraza DNA 3

- polimeraza DNA 1

- topoizomeraza pierwsza

- topoizomeraza druga

- ligaza 

Substratami w tym procesie są:

-ATP

-GTP

-CTP

-TTP

 Kierunek replikacji jest zawsze 5'->3'.

Helikaza odpowiada za rozpleceniu podwójnej nici DNA i potrzebuje znacznych ilości ATP do rozerwania wiązań wodorowych. Po ich rozerwaniu do pojedynczych łańcuchów dołączane są specyficzne białka, które zapobiegają ponownemu łączeniu się nici DNA.

Synteza nici przebiega równocześnie i rozpoczyna się od syntezy startera, czyli fragmentu RNA komplementarnego do matrycy. Za syntezę startera odpowiada prymaza. Do wytworzonego startera dołączane są deoksyrybonukleotydy przy udziale polimeraza DNA 3.

Synteza nici wiodącej odbywa się zgodnie z ruchem widełek replikacyjnych, podczas gdy synteza drugiej nici (młodszej) odbywa sie w ruchu przeciwnym do przesuwania sie widełek stad tez synteza nici młodszej nie ma charakteru ciągłego, czyli w postaci fragmentów okazaki. Przy syntezie nici młodszej po zakończeniu syntezy fragmentów okazaki startery (fragmenty RNA) są wycinane prze polimerazę DNA 1.

Powstałe wolne miejsca po starterach wbudowywane są fragmenty DNA przy udziale drugiej aktywności tego samego enzymu, czyli polimerazy DNA 1. Fragmenty okazaki są następnie łączone ze sobą prze ligazę DNA. Oprócz tych opisanych enzymów biorą tez w tym procesie udział wspomniane wcześniej topoizomeraza 1 i 2. Pierwszy z tych enzymów rozrywka wiązania 3'5' w jednej w dwóch nici matrycowych umożliwiając swobodna rotację DNA wokół drugiej nierozciętej nici. Następnie łączy zerwaną nić. Topoizomeraza 2 wkracza po zakończeniu replikacji rozcinając obudowie nici helisy jednej cząsteczki DNA co umożliwia rozłączenie się dwóch ogniw łańcucha i po uwolnieniu drugiej cząsteczki enzym ten łączy rozciętą wcześniej nici.

RNA:

Kwasy rybonukleinowe mają znacznie zróżnicowane masy cząsteczkowej. Wyróżniamy 3 podstawowe rodzaje RNA:

-t-RNA, 

-m-RNA,

-r-RNA

t-RNA- występuje w cytoplazmie i ma niskie masy cząsteczkowej 25-30 kD. W każdej komórce występuje 60 rożnych rodzajów t-RNA. We wszystkich cząsteczkach t-RNA  na kończy C5' znajduje sie nukleotyd GMP (lub GM5) a na końcu C3' sekwencja CCA, która odpowiada za wiązanie aminokwasów. Cząsteczkę t-RNA tworzy strukturę II-rzędowa w kształcie liścia koniczyny. W cząsteczce tej jest kilka pętli, gdzie najważniejsza z nich to antykodonowa, pętla pseudourydynowa, pętla dihydrourydynowa. Podstawowa funkcja t-RNA jest udział w aktywowanie aminokwasów i transporcie zaktywowanych aminokwasów do miejsca syntezy białka. 

m-RNA - bezpośrednio przenosi informacje z DNA na kolejność aminokwasów w białku. Jego masy cząsteczkowej są wysokie 100 000 do 1 000 000 Daltonów. Synteza m-RNA ma miejsce w jądrze komórkowym  i tylo w niewielkim stopniu w mitochondriach i plastydach.

Po procesie dojrzewania m-RNA opuszcza jądro. U bakterii w jednej cząsteczce m -RNA znajdują się informacje o syntezie kilku łańcuchów polipeptydowych a u eukariotów w jednej cząsteczce m-RNA jest informacja o syntezie 1 łańcucha polipeptydowego. 

r-RNA - występuje głownie w rybosomach, jest procentowo najwięcej (aż 80%RNA całej komórki). W rybosomach 62%masy. Masa cząsteczkowa 1 000000 Daltonów. Występuje rożne rodzaje     r-RNA 25-28 s, 18 s , 5,8 s , 5 s. Występuje tez w postaci pętli ale mimo pętli zawsze jest pojedynczą nicią. 

TRANSKRYPCJA :

Proces syntezy RNA na bazie matrycy DNA. Do przeprowadzenia syntezy niezbędne są enzym- polimeraza RNA zależna od DNA, matryca DNA, substraty (ATP, GTP, CTP, UTP), jony metali magnezu lub manganu

Transkrypcja przebiega w kierunku 5'->3' (lub 3’->5’). Syntezowana nic RNA jest komplementarna do matrycy DNA. 

Polimeraza RNA nie wymaga startera, enzym ten nie wykazuje aktywności nukleozydowej. 

Matryce stanowi 1 nic DNA najcześciej młodsza. 

Transkrypcja rozpoczyna sie od wyszukania przez polimerazę RNA, miejsca promotorowego (inicjacji) na matrycy DNA. Enzym ten zbudowany jest z 4 typów podjednostek (2 α, 1 β, 1 β ' i 1 sigma) podjednostka sigma dołączając się do 4 pozostałych podjednostek powoduje wzrost powinowactwo enzymu do miejsca promotorowego i następuje przyłączenie polimerazy do matrycy DNA. To przyłączenie enzymu powoduje lokalne rozwiniecie podwójnej helisy DNA i utworzenie pierwszego wiązania 3'5' fosfodiestrowego , następnie podjednostka sigma oddysocjowuje. 

Polimeraza RNA tworzy kolejne wiązania przesuwając się wzdłuż matrycy DNA. Odcinek DNA który uległ transkrypcji przybiera ponownie konformacje podwójnej helisy i rozwija się następna cześć DNA. Zakończenie transkrypcji odbywa się dzięki specjalnym miejscom na DNA bogatych w GC i AT, są one rozpoznawane przez sama polimerazę bądź przez specjalne białko zwane RHO wiążące się z polimerazą. Synteza RNA kończy się powstaniem prekursorowych form które ulegają później rożnym modyfikacjom zwanych dojrzewaniem. 

GENY I KOD GENETYCZNY:

Geny są to kolejno po sobie następujące lub rozrzucone w sposób nie ciągły odcinki DNA kontrolujące jakąś cechę zewnętrzną a bezpośrednio kodujący syntezę określonego enzymu lub białka nieenzymatycznego. Geny organizmów wyższych są ułożone w chromosomie w sposób nieciągły czyli są przedzielone fragmentami niekodującymi. 

Kod genetyczny jest to współzależność miedzy kolejnością trójek zasad w DNA lub m-RNA a sekwencja aminokwasów w białku. Poszczególne trójki zasad w m-RNA odpowiadające poszczególnym aminokwasom nazywamy KODONAMI.

Wśród najważniejszych cech kodu genetycznego są :

- kod jest trójkowy - czyli 3 kolejne nukleotydy decydują o jednym aminokwasowe w łańcuchu białkowym 

- uniwersalny - wspólny, identyczny dla większości żywych organizmów, wyjątek stanowią genomy mitochondrialne u eukariota

- ciągły - informacje zapisywane są bez przerw, wszystkie kolejne trójki kodujący określone aminokwasy

- zdegenerowany charakter - niektóre z aminokwasów kodowanie są przez 4 trójki, inne przez 6 trójek a inne tylko przez 1 trójkę. W praktyce to oznacza, ze przy kodowaniu danego aminokwasu przez kilka trójek trzeci nukleotyd (zasada) jest inna niż w  pozostałych trójkach, oznacza te ze jest mniej ważna.