NUKLEOTYDY

Budowa

Nukleotydy są cząsteczkami składającymi się z trzech grup: zasady azotowej, cukru i grup fosforanowych.

W nukleotydach występują dwa różne cukry. Oba są pochodnymi pentozy, pięciowęglowej cząsteczki cyklicznej.

W nukleotydach spotyka się beta-d-rybozę (w skrócie - rybozę) oraz beta-d-2-deoksyrybozę (deoksyroboza). Przedrostek deoksy- oznacza, że w cząsteczce tego cukru brak jest atomu tlenu w grupie związanej z węglem 2'.

Zasady azotowe spotykane w nukleotydach są pochodnymi puryny lub pirymidyny - cząsteczek heterocyklicznych to znaczy takich, w których pierścień zbudowany jest z kilku rodzajów atomów - w tym przypadku węgla i azotu

Do zasad purynowych należą: adenina (A) i guanina (G), do pirymidynowych: uracyl (U), cytozyna (C) i tymina (T).

Skróty A, G, U, C i T choć pochodzą od nazw zasad azotowych, często używane są do oznaczania nukleotydów zawierających te zasady.

Trzecim składnikiem nukleotydów są grupy fosforanowe. Zależnie od typu nukleotydu mogą one występować jako mono-, di- i trifosforany.

Cząsteczkę składająca się z cukru i zasady azotowej nazywa się nukleozydem. Jej elementy połączone są wiązaniem N-glikozydowym pomiędzy azotem 9 (N-9) w zasadzie purynowej lub azot em 1 (N-1) w zasadzie pirymidynowej. Przykładem nukleozydu może być deoksyadenozyna:

Nukleozyd z dołączonymi grupami fosforanowymi nazywa się nukleotydem. W naturalnie występujących związkach najczęstszym miejscem wiązania grupy fosforanowej jest grupa hydroksylowa związana z atomem węgla 5' w pierścieniu cukru. Taki związek nazywa się nukleozydo-5'-fosforanem lub 5'-nukleotydem. Na przykład w wyniku połączenia deoksyadenozyny i trzech grup fosforanowych powstaje 5'-trifosforan deoksyadenozyny (dATP):

Nazwa dATP powstała w wyniku skrócenia angielskiej nazwy deoxyadenosine triphosphate. Litera "d" na początku oznacza deoksy- (czyli beztlenowy) i odróżnia ten związek od ATP zawierającego rybozę. Nazwy tej grupy związków p ochodzą od zasad azotowych będących składowymi cząsteczki:

zasada	nukleozyd	skrót
adenina	adenozyna	A
guanina	guanozyna	G
cytozyna	cytydyna	C
uracyl	urydyna	U
tymina	tymidyna	T

 

Funkcje

1. Nukleotydy są prekursorami DNA i RNA

Łańcuch DNA składa się z deoksyrybonukleotydów (dAMP, dGMP, dTMP, dCMP), a łańcuch RNA - z rybonukleotydów (AMP, GMP, UMP, CMP). Połączone są one resztami fosforanowymi. Grupa 3'-hydroksylowa reszty cukrowej jednego nukl eotydu połączona jest z grupą 5'-hydroksylową następnej reszty cukrowej wiązaniem fosfodiestrowym. Sekwencja nukleotydów w łańcuchu kwasu nukleinowego opisywana jest zazwyczaj za pomocą skrótów jednoliterowych np.: A-T-G-C-T-A-C-A-G Kolejność ułożenia nukleotydów niesie informację o składzie aminokwasowym białka syntetyzowanego na podstawie łańcucha.

2. Nukleotydy mogą być przenośnikami energii chemicznej

Nukleotydy posiadające kilka grup fosforanowych mogą pełnić rolę uniwersalnych przenośników energii. Takim związkiem jest ATP (adeninotrifosforan) posiadający trzy grupy fosforanowe. Przyłączenie ostatniej z nich wymaga dużego na kładu energetycznego. Ta energia uwalniana jest następnie przy przerywaniu tego wiązania. Tak więc cząsteczki ATP są w stanie magazynować energię lub przenosić ją w punkt odległy od miejsca jej syntezy.

3. Nukleotydy adeninowe są składnikami trzech podstawowych koenzymów: NAD⁺, FAD i CoA

4. Nukleotydy mogą pełnić w komórce rolę regulatorową.

	Cykliczny AMP (cAMP) jest mediatorem wewnątrzkomórkowym przekazującym sygnały niesione przez hormony. ATP może wprowadzać kowalencyjne modyfikacje (fosforylacja, adenylacja) zmieniające sposób działania niektórych enzym ów.

DNA

1. Budowa DNA

DNA - jest to angielski skrót od nazwy makrocząsteczki kwasu nukleinowego - deoxyribonucleic acid - po polsku kwas deoksyrybonukleinowy. Zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: deoksyadenozyny (dAMP), deoksyguanozyny (dGMP), deoksycytydyny (dCMP) oraz deoksytymidyny (dTMP). Cukrem występującym w tych deoksyrybonukleotydach jest deoksyryboza. Przedrostek deoksy- oznacza brak jednego z atomów tlenu zawartych w cząsteczce wyjściowej - rybozie. DNA występuje najczęściej w postaci dwuniciowej (dsDNA) i ma kształt helisy. Złożona jest z dwóch przeciwbieżnych i komplementarnych do siebie łańcuchów kwasu deoksyrybonukleinowego, skręconych wzdłuż osi helisy. Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i reszty deoksyrybozy - na zewnątrz helisy. Płaszczyzny ułożenia pierścieni zasad są prostopadłe do osi helisy, natomiast płaszczyzny pierścieni cukrów są ułożone prostopadłe względem zasad. Dwa łańcuchy DNA łączą się sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami azotowymi, tworząc komplementarne pary.

Na powierzchni helisy można wyróżnić dwa zagłębienia, zwane małą i dużą bruzdą.

Powstają one dlatego, że wiązania glikozydowe komplementarnych zasad nie leżą dokładnie naprzeciwko siebie. Stosunek puryn do pirymidyn w dwuniciowej cząsteczce DNA jest równy jeden. Ściśle określona kolejność zasad azotowych w DNA (sekwencja) niesie informację genetyczną. DNA może również występować w postaci jednoniciowych cząsteczek (ssDNA). Tego rodzaju cząsteczki są charakterystyczne dla wirusów.

2. Formy DNA

J. Watson i F. Crick (1953 r.) opisali budowę najczęściej występującej w przyrodzie postaci DNA - tzw. "helisa B-DNA". Opisano dotychczas 6 postaci cząsteczek DNA (A - E oraz Z), lecz większość z nich odkryto tylko w warunkach doświadczalnych. Cząsteczki te odróżnia: średnica heliksu, liczba par zasad przypadających na każdy zwój helisy, kąt pomiędzy każdą parą zasad,

a także kierunek skrętu helisy. Różnice pomiędzy przykładowymi formami DNA przedstawia poniższa tabela:

	Typy helisy
	A
Wzrost długości helisy na parę zasad	0,23 nm
Średnica helisy	2,55 nm
Kierunek skręcenia	prawoskrętna
Typ wiązania glikozydowego	anty
Liczba par zasad na skręt helisy	11
Skok helisy	2,53 nm
Odchylenie pary zasad od położenia prostopadłego do osi helisy	19 ^0
Duży rowek	wąski i bardzo głęboki
Mały rowek	bardzo szeroki i płytki

Pozostałe formy (C, D, E) są prawoskrętne i występują prawdopodobnie tylko w układach doświadczalnych.

3. Postać DNA w organizmie

W organizmach, DNA rzadko występuje w postaci liniowych odcinków o wolnych końcach. U organizmów prokariotycznych chromosomowy, a także plazmidowy DNA, występuje w postaci kolistej. W komórkach eukariotycznych chromosomowy DNA jest zorganizowany w postaci domen w kształcie pętli, których podstawy są unieruchomione przez białka wchodzące w skład chromosomu. Cząsteczka DNA, pod wpływem powstających w niej, wewnętrznych napięć torsyjnych może ulegać dodatkowemu zwinięciu. Napięcia są spowodowane rozluźnieniem lub kondensacją struktury helisy i brakiem możliwości neutralizacji przez obrót wokół wolnych końców, wokół osi podłużnej helisy. W długich cząsteczkach DNA napięcia powstają w wyniku lokalnych procesów związanych z naprawą, replikacją [1] lub transkrypcją. Przy tych procesach następuje rozplecenie helisy, w wyniku czego po obu stronach miejsca rozplecenia następuje kondensacja struktury heliksu. Kondensacja wywołuje dążenie DNA do neutralizacji napięć wewnętrznych, przez miejscowe zwinięcie cząsteczki.

Koliste cząsteczki DNA, wykazujące przestrzenne skręcenie wokół siebie zostały nazwane formami superhelikalnymi.

Superskręcenie cząsteczek jest właściwością topologiczną, którą można opisać posługując się terminami z dziedziny topologii. Za topologiczną przyjmuje się taką właściwość DNA, która nie ulega zmianie pod wpływem odkształceń ciągłych - zachowujących integralność szkieletu cząsteczki. nie dochodzi do zmian w szkielecie cystecyki DNA Będą to takie odkształcenia konformacyjne, które powstają w wyniku łączenia się cząsteczki z białkami, lub innymi ligandami, a także powstające w wyniku działania ciepła. Przecięcie jednej z nici DNA - a więc zakłócenie szkieletu, spowoduje zmianę właściwości topologicznej. Kolista cząsteczka superhelikalna jest opisana dwoma parametrami. Tw, czyli liczba skrętów opisuje ile razy kolisty DNA został skręcony wokół osi helisy. Parametr ten przyjmuję wartość ujemną, gdy w stosunku do formy zrelaksowanej (naturalnej) cząsteczka jest rozkręcona, gdy natomiast DNA ulega skręceniu - dodatnią. Wr, czyli liczba zwojów - opisuje, ile razy kolista cząsteczka DNA krzyżuje się ze sobą. Wprowadzenie trzech dodatkowych skrętów (stworzenie napięć torsyjnych) powoduje, że wartość Tw = 3, przy założeniu, że cząsteczka leży płasko i nie krzyżuje się ze sobą Wr = 0.

Taki stan jest niekorzystny, ze względu na występowanie napięć torsyjnych.

Kolista cząsteczka dąży do likwidacji napięć (dodatkowych skrętów), poprzez wzajemne skręcenie się i tym samym podniesienie wartości Wr. Każde skrzyżowanie się cząsteczki (skręcenie wokół siebie) odbywa się kosztem zmniejszenia wartości Tw o jeden. Podczas topologicznych przekształceń kolistych cząsteczek DNA zmianie ulegają wartości Tw i Wr, lecz ich suma pozostaje stała. Wielkość ta nosi nazwę liczby opleceń i jest opisana symbolem Lk. Wielkość ta jest liczbą całkowitą i pozostaje stała jeżeli nie zostanie przecięta jedna z nici DNA, wykonując przy tym wewnętrzny obrót wokół nieprzeciętej nici.

Topologię cząsteczki opisuje zatem równanie: Tw + Wr = Lk

ORGANIZACJA GENOMU EUKARIONTÓW
- czyli jak w komórce ludzkiej mieści się 2,6 m DNA?

Mimo tego, iż tytuł zapowiada, że mowa będzie o ludzkim DNA rzecz dotyczy wszystkich organizmów eukariotycznych. Mają one DNA długości znacznie przekraczającej długość komórek, w których jest on upakowany.

Czy wiesz, że:

Gdyby rozwinąć DNA muszki owocowej (Drosophila melanogaster) zawarty w jednej komórce, miałby on długość ok. 11 cm. Wspomniane 2,6 m. DNA u ludzi mieści się w komórkach, których średnica na ogół nie przekracza 80 (m ((m to milionowa część metra).

Zważywszy bardzo małe rozmiary komórek i znaczną długość genomów eukariotycznych, musi istnieć i rzeczywiście istnieje sposób na zorganizowane i uporządkowane upakowanie nici DNA.W rezultacie DNA jest tak skondensowany, że zajmuje zaledwie niewielki przedział komórkowy jakim jest jądro (UWAGA! Istnieją również cząstki DNA w mitochondriach i chloroplastach, ale przy omawianiu zagadnienia pakowania DNA cała uwaga zostanie poświęcona genomowi jądrowemu). Efekt silnej kondensacji osiągany jest dzięki oddziaływaniom DNA z różnorodnymi białkami, z którymi tworzy zwartą strukturę zwaną chromatyną. Białka te to zasadowe ( ze względu na dużą zawartość zasadowych aminokwasów ) histony oraz szereg innych ogólnie nazwanych niehistonowymi.

Upakowanie kwasu deoksyrybonukleinowego rozpatruje się na kilku poziomach.

Pierwszy z nich to nukleosomy

Nukleosom to jednostka, w skład której wchodzą:

1. Białkowy rdzeń mający postać dyskowatego oktameru zbudowanego z 4 rodzajów histonów: H2A, H2B, H3 i H4. Oktamer jak nazwa wskazuje składa się z 8 podjednostek - każdy z histonów występuje w liczbie 2 cząsteczek.W obrębie rdzenia między histonami obserwuje się stabilne dopasowanie przestrzenne przypominające uścisk dłoni w geście powitalnym tzw. hand shake. Oddziaływania te występują między dwoma histonami tworzącymi dimer. Przykładem może być heterodimer H2A - H2B ( hetero-, bo zbudowany z dwóch różnych rodzajów histonów).

2. Nić DNA oplatająca dyskowaty oktamer i wchodząca z nim w interakcje.

3. Białko spinające część wchodzącą i schodzącą nici DNA - oplatającej rdzeń - od strony zewnętrznej.

Jest ono również histonem, określanym symbolem H1. Dzięki histonowi H1 stabilizującemu strukturę nukleosomu możliwe jest występowanie całych ciągów nukleosomowych mających postać sznura koralików.

Fig.I.2. Szereg nukleosomów

Czerwony - rdzeń nukleosomu.

Zielony - nić DNA oplatająca rdzeń.

Niebieski - histon H

Drugi poziom upakowania to solenoidy

Łańcuchy nukleosomów organizowane są w struktury wyższego rzędu, a mianowicie w solenoidy. Przypominają one sprężynę, której zwoje to koralikowe łańcuchy nukleosomów skręcone tak, że płaskie powierzchnie dysków histonowych ( tj. rdzeni ) ułożone są równolegle względem osi solenoidu. Na jeden zwój w takiej sprężynie przypada 6 nukleosomów, a stopień kondensacji w tej strukturze wynosi 40 (chodzi tu o pozorne skrócenie długości cząsteczki DNA ).

Tak więc na poziomie solenoidu nić DNA zajmuje 40 razy mniej miejsca w porównaniu do sytuacji, w której występowałaby w formie rozprostowanej cząsteczki.

Dalsze poziomy upakowania DNA

Efekt jeszcze silniejszej kondensacji osiągany jest dzięki fałdowaniu solenoidów i dalej spiralizacji powstałych struktur wyższego rzędu, które stabilizowane są przez różnorodne białka niehistonowe.

Ostatecznie mamy do czynienia z chromatyną tj. układem nukleoproteinowym ( DNA : białko), który w różnych fazach cyklu komórkowego przybiera różną formę. W interfazie - czasie między podziałami : mitotycznymi czy mejotycznymi - chromatyna jest mało skondensowana i w mikroskopie można ją obserwować jako kłębowisko drobnych nitek. Podczas podziału chromatyna ulega zdecydowanemu zbiciu formując się początkowo w długie i wiotkie chromosomy, które im bliżej momentu rozdzielenia pomiędzy dwie komórki potomne stają się mniejsze i masywniejsze. Najsilniejszą kondensację chromatyny a zatem najefektywniejszą redukcję "długości" DNA obserwuje się w komórkach będących w metafazie.

Czy wiesz, że:

W somatycznych komórkach człowieka podczas metafazy cały materiał genetyczny tj. imponujące 2,6 m zorganizowany jest w 46 chromosomów o łącznej długości 200 m.

Podsumowując:

1. DNA żeby pomieścić się w jądrze komórkowym musi być mocno skondensowany, co możliwe jest dzięki tworzeniu układu nukleoproteinowego. Układ taki nazywamy chromatyną.

2. Kondensację DNA rozpatruje się na kilku poziomach, co można zobrazować poniższym schematem:

3. Jakkolwiek DNA w komórce zawsze występuje w połączeniu z białkami - tj. w postaci chromatyny - tak stopień jego kondensacji może być różny na różnych etapach cyklu komórkowego.

Najważniejsze rodzaje mutacji chromosomowych

Rodzaj mutacji	Definicja	Skutki, uwagi
Aberracje liczbowe (tzw. mutacje genomowe)
Aneuploidalność	nullisomia	zmiany obejmujące poszcze­gólne pary chromo­somów (występują głównie jako skutek nierówno­mier­nego rozdziału chromo­somów podczas mejozy)
	monosomia
	trisomia
	tetrasomia
Euploidalność	haploidalność	zmiany obejmujące całe genomy (zwykle sku­tek braku rozdziału chromosomów w mitozie lub mejozie lub zapłod­nie­nia jaja przez wiele plemników)
	diploidalność
	poliploidalność
Fuzja	połączenie dwóch chromo­­somów w jeden	skutki na ogół letalne, ale niekiedy przejawiają się tylko mniejszą płodnością
Alloploidalność		połączenie się genomów różnych gatunków
	allopoli ploidalność	jw., z równoczesnym powie­leniem ilości genomów
Aberracje strukturalne
Deficjencja	utrata części chromosomu	przeważnie są następstwem pękania nici DNA i złamań chromosomów, wadliwego zajścia procesu crossing-over, a także łączenia się w pary chromosomów niehomologicznych; na ogół letalne, wywołują dras­ty­czne zmiany fenotypo­we lub zna­cz­nie obniżają płodność; u di­plon­tów w sta­nie heterozygotycz­nym niekiedy powodują ujawnie­nie się alleli recesywnych położo­nych na chromoso­mie homologicz­n­ym (nieuszkodzonym)
Duplikacja	podwojenie jakiegoś odcinka chromosomu
Inwersja	obrócenie odcinka o 180^o
Translokacja	przyłączenie części jednego chromosomu do drugiego
Chromosomy pierścieniowe	złączenie się końców chromosomu w pętlę
Izochromosomy	jedno ramię chromosomu podwojone, drugiego brak
Inne aberracje chromosomowe
Chimeryzm	osobnik zawiera linie komórkowe pochodzące z różnych zygot	nie musi prowadzić do widocznych schorzeń, może być wynikiem np. wymiany komórek bliźniąt w łonie matki lub zlania się dwu zygot
Mozaikowość	osobnik zawiera linie komórkowe wykazujące odmienne aberracje^a	skutki mogą być poważne, niedostrzegalne lub pośrednie — zależy to od rozmieszczenia obu linii komórkowych w organizmie
Disomia lub izodisomia jednorodzicielska	oba chromosomy danej pary pocho­dzą od jednego z rodziców (ojca lub matki)	zaburzone jest piętnowanie genomowe, a gdy oba chromosomy są identyczne (izodisomia) — ujawniają się też wszystkie geny recesywne
Fragmenty centryczne	dodatkowe małe „chromo­somy” (mają centromer)	wywołują nieprawidłowości tylko wtedy, jeśli zawierają geny
^a Wynik mutacji, która zaszła już po pierwszym podziale zygoty.

Genetyka - podstawowe pojęcia i zagadnienia

DNA - kwas deoksyrybonukleinowy, to podwójna helisa, zbudowana z dwóch komplementarnych w stosunku do siebie nici. DNA przypomina drabinę sznurową.

KODON - trójka zasad azotowych, określająca jeden aminokwas.

KODONY STOP - nie określają aminokwasu, informują o końcu cząsteczki białka.

GENOM - kompletny zestaw instrukcji, dot. wszystkich szczegółów budowy i funkcjonowania organizmu.

Genom – niezbyt jednoznaczny termin zbliżony do pojęcia "materiał genetyczny". Zaproponowany pierwotnie przez Hansa Winklera, botanika z Uniwersytetu w Hamburgu, jako zbitka słów "gen" i "chromosom".

Stosowany jest na kilka sposobów:

1. jako haploidalny zestaw chromosomów zarówno genów, jak i międzygenowych odcinków DNA jakiegoś organizmu; np. w stwierdzeniu: komórki pszenżyta zawierają po dwa genomy pszenicy i żyta - pszenżyto jest tetraploidem

2. jako główna, zasadnicza czplazmidu, u organizmów eukariotycznych DNA jądrowe w odróżnieniu od DNA mitochondriów (mtDNA) i plastydów; np. w stwierdzeniu: izolując plazmid staramy się uniknąć zanieczyszczenia go genomowym DNA; izolując DNA mitochondrialny, zawiesinę mitochondriów poddajemy działaniu DNazy by zniszczyć pozostałości DNA genomowego

3. jako zestaw genów w znacznym stopniu autonomiczny, naturalnie wyróżniający się, mający odrębną lokalizację komórkową; np. niektóre geny przewędrowały w toku ewolucji z genomu mitochondrialnego do genomu jądrowego; w roślinach poza jądrem i mitochondriami, także plastydy zawierają własne genomy

4. ęść materiału genetycznego jakiegoś organizmu; u bakterii genofor w odróżnieniu od Materiał genetyczny mitochondriów i plastydów bywa więc nazywany genomem mitochondrialnym i plastydowym albo zbiorczo - cytoplazmatycznym. Genom bez przymiotnika u organizmów eukariotycznych oznacza najczęściej DNA jądrowe. Genomem bywa też nazywany materiał genetyczny wirusów, zarówno w formie DNA, jak i RNA.

GEN - fragment DNA, zawierający zapis sekwencji aminokwasów konkretnych białek.

KOD GENETYCZNY - to sekwencja, czyli kolejność czterech zasad (A,T,G,C), stanowiąca informację o budowie białka.

Gen - podstawowa jednostka dziedziczności, która determinuje powstanie jednego polipeptydu lub kwasów rRNA lub tRNA.

Genetyka ewolucyjna i populacyjna opisują dodatkowe aspekty genu niż poniższy opis dotyczący genów białkowych w ujęciu molekularnym.

Gen - odcinek DNA nadający komórce zdolność do tworzenia jakiegoś RNA (różnych mRNA, tRNA, rRNA i in.), a pośrednio kodujący zwykle także jakieś białko (za pośrednictwem mRNA; mRNA określa budowę określonego białka, a tRNA i rRNA to cząsteczki pomocnicze uczestniczące w tworzeniu białek kodowanych w różnych mRNA; poszczególne rodzaje ogromnie zróżnicowanych cząsteczek mRNA zakodowane są w różnych genach).

Kod genetyczny to zasada, reguła, według której informacja genetyczna, zawarta w sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego (DNA lub RNA), w komórkach wszystkich organizmów może ulegać "tłumaczeniu" na kolejność (sekwencję) aminokwasów w ich łańcuchach polipeptydowych (w procesie biosyntezy białek czyli translacji). Kod ten ma następujące właściwości:

1. Jednemu aminokwasowi w białku odpowiada jedna trójka nukleotydów (triplet, inaczej kodon) w DNA lub RNA. Kod genetyczny jest więc kodem trójkowym.

2. Prawie wszystkie aminokwasy mogą być zakodowane na kilka sposobów, tj. przez kilka różnych kodonów, różniących się na ogół tylko trzecim nukleotydem. Np. lizyna kodowana jest zarówno przez kodon AAA, jak i AAG. Dzięki temu część zmian informacji genetycznej w wyniku mutacji nie znajduje swojego odbicia w sekwencji aminokwasów. Kod genetyczny jest więc zdegenerowany.

3. Każdy nukleotyd w obrębie sekwencji kodujących wchodzi w skład jakiegoś kodonu i tylko jednego kodonu - kod genetyczny jest bezprzecinkowy.

4. Ponadto kodony nie zachodzą na siebie - np. biorąc pod uwagę powyższe dane, cząsteczka AAGAAA koduje sekwencję dwupeptydu lizylolizyny. Taki sam dwupeptyd może być zakodowany jako AAAAAA.

5. Trzem kodonom (UAA, UAG i UGA) nie odpowiadają żadne aminokwasy. Kodony te, zwane nonsensownymi albo kodonami STOP, kodują polecenie przerwania biosyntezy peptydu (białka). Jeśli więc powyższa sekwencja miałaby oznaczać końcowy odcinek jakiegoś białka to mogłaby mieć postać AAAAAAUAA, gdzie UAA jest kodonem STOP (w mRNA; jego odpowiednikiem w DNA jest TAA).

6. Powyższe zasady są przestrzegane dość dokładnie przez układy biosyntezy białek u wszystkich organizmów - kod genetyczny jest uniwersalny, jakkolwiek zdarzają się niewielkie odstępstwa od tej prawidłowości wśród wirusów, bakterii, pierwotniaków, grzybów i w mitochondriach ^[1]. Na przykład kodon UAA odczytany przez rybosomy mitochondriów powoduje nie zakończenie syntezy białka (jak to ma miejsce w rybosomach cytoplazmy podstawowej i siateczki śródplazmatycznej), ale dobudowanie do niego tryptofanu; natomiast kodon UGA zamiast przerwania translacji może powodować dołączenie selenocysteiny (wymagane jest do tego występowanie w mRNA dodatkowego sygnału, tzw. SECIS), a kodon UAG - dobudowanie pirolizyny (ang. pyrrolysine) do tworzącego się łańcucha polipeptydowego (białka).

CHROMOSOMY = BIAŁKA + DNA (nosiciele genów)

SEKWENCJA DNA - porządek zasad DNA

INŻYNIERIA GENETYCZNA - metody pozwalające wydzielić geny i przenosić je z jednego organizmu na drugi.

RODZAJE MUTACJI - chromosomowa (np. Zespół Downa), genetyczna (np. anemia sierpowata).

PRZYCZYNY MUTACJI - błędy w kopiowaniu DNA, czynniki rakotwórcze, czynniki mutagenne (związki chemiczne, promieniowanie UV, promieniowanie jonizujące).

PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIE INŻYNIERII - uzyskiwanie organizmów transgenicznych (zmienionych genetycznie), diagnostyka kryminalna, diagnostyka medyczna (wykrywanie chorób, mutacji), terapia genowa (leczenie chorób).

ZASADY AZOTOWE - tymina, cytozyna, guanina, adenina, uracyl

RODZAJE RNA: t - RNA (transportujący), m - RNA (przekaźnikowy), r - RNA (rybosomalny)

SYNTEZA BIAŁKA:
a) transkrypcja (zachodzi w jądrze, jest to przepisanie informacji z DNA na m - RNA przy udziale enzymu polimerazy RNA),
b) translacja (odbywa się w cytoplazmie, jest to synteza cząsteczki białka według informacji zawartej w m - RNA).

BIAŁKA - są zbudowane z aminokwasów, których wyróżniamy 20 rodzajów.

AMINOKWASY - połączone są wiązaniami peptydowymi.

METODY INŻYNIERII:
a) wydzielanie DNA z tkanek,
b) przecinanie DNA na fragmenty, za pomocą enzymów restrykcyjnych, które otrzymujemy z bakterii,
c) rozdzielanie fragmentów DNA, za pomocą elektroforezy,
d) tworzenie wektorów,
e) wykorzystanie wektorów do transformacji komórek. Transformacja, to wprowadzenie zmienionego wektora do komórek bakterii lub innych organizmów.

Zmienność mutacyjna - rodzaje mutacji

• Zmienność mutacyjna polega na tworzeniu nowej informacji genetycznej w wyniku nagłej, skokowej, a jednocześnie losowej i bezkierunkowej zmiany materiału genetycznego (mutacji) w komórkach biorących udział w rozmnażaniu.

• Wyróżnia się dwa typy mutacji:

1. mutacje samorzutne - powstają spontanicznie, bez udziału konkretnych fizycznych, ani chemicznych czynników; są zjawiskiem bardzo rzadkim;

2. mutacje indukowane - powstają pod wpływem fizycznego lub chemicznego czynnika; zaliczyć tu można większość mutacji.

• Podział czynników mutagennych:

  • fizyczne:

a. promieniowanie jonizujące (rentgenowskie i gamma) - duża dawka energii pochłaniana przez komórki wraz z tego rodzaju promieniowaniem prowadzi do uszkodzenia DNA, najczęściej rozerwania;

b. promieniowanie ultrafioletowe (UV) - działa powierzchniowo, dlatego najbardziej narażone są organizmy małe oraz obszary ciała organizmów większych, bezpośrednio podlegające napromieniowaniu. Efektem działania UV jest tworzenie zakłócających odczyt DNA dimerów pirymidynowych, czyli związanych ze sobą dwóch pirymidyn, leżących jedna obok drugiej w jednym łańcuchu polinukleotydowym;

c. wysoka temperatura - procesy, w których bierze udział DNA kontrolowane są enzymatycznie, a w związku z tym podwyższona temperatura znacząco wpływa na dokładność zachodzenia tych procesów, bo ogranicza jakość działania enzymów;

• chemiczne:

a. powodujące modyfikacje zasad azotowych, a w konsekwencji nieprawidłowy odczyt informacji zawartej w DNA (np. kwas azotawy, iperyt);

b. będące przyczyną nieprawidłowego wstawiania nukleotydów (np. barwniki akrydynowe, analogi zasad azotowych);

c. reagujące w sposób nieswoisty z DNA (np. H₂O₂, NH₃, benzopiren z dymu papierosowego);

d. kolchicyna - prowadzi do zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów podczas podziału komórki, ponieważ blokuje tworzenie włókien wrzeciona kariokinetycznego.

• Podział mutacji ze względu na wielkość zmiany:

  • genowe (punktowe) - zmiana sekwencji nukleotydów zachodzi na odcinku DNA mniejszym niż jeden gen, zazwyczaj jest efektem błędu powstałego podczas kopiowania DNA; może zachodzić na skutek:

1. substytucji - podstawienie właściwego nukleotydu przez inny;

2. delecji - utrata nukleotydu;

3. insercji - wstawienie nukleotydu;

   • chromosomowe - zmiana DNA na obszarze większym niż jeden gen zachodząca najczęściej w wyniku nieprawidłowości podczas crossing over; mogą polegać na:

1. deficjencji - utrata fragmentu chromosomu;

2. duplikacji - podwojenie fragmentu chromosomu;

3. inwersji - obrócenie odcinka chromosomu o 180^o;

4. translokacji - przeniesienie odcinka jednego chromosomu na inny, niehomologiczny;

   • genomowe - zmiana właściwej liczby chromosomów:

a. aneuploidalność - zmiana liczby pojedynczych chromosomów w wyniku zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów podczas mejozy:

- monosomie (2n-1) - zamiast dwóch chromosomów homologicznych występuje tylko jeden, u człowieka bardzo często letalna;

- trisomie (2n+1) - zamiast pary chromosomów homologicznych występują trzy (np. zespół Downa), u człowieka osobniki częściej przeżywają niż w przypadku monosomii;

b. euploidalność - zmiana liczby kompletów chromosomów, czego przyczyna może być brak wykształconego wrzeciona kariokinetycznego podczas pierwszego podziału zygoty (częściej u rośli niż u zwierząt):

- autopoliploidalność - zwielokrotniona jest liczba takich samych genomów;

- allopoliploidalność - powstaje organizm zawierający dwa różne genomy.

• Wg innego kryterium mutacje można podzielić na:

  • neutralne - pozostają bez wpływu na funkcjonowanie organizmu;

  • niekorzystne - powodują pogorszenie funkcjonowania organizmu, mogą być letalne (ograniczenie zdolności przeżycia w każdych warunkach) lub warunkowo letalne;

  • korzystne - wykazują pozytywny wpływ na organizm, polepszając jego funkcjonowanie.

Jądro

Jest ośrodkiem sterującym, od którego uzależniona jest aktywność całej komórki. Zawiera materiał genetyczny DNA niosący zapis o budowie wszystkich białek potrzebnych do życia. DNA i stabilizujące go białka histonowe tworzą chromatynę. Chromatyna to nieregularna sieć włókien i ziarnistości w jądrze interfazowym określana również jako fibryle chromatynowe.

- Jest to najbardziej charakterystyczna struktura w komórce eukariotycznej.

- Większość komórek posiada jedno jądro; czasami nie występuje ono w ogóle, mówimy wtedy o komórkach bezjądrzastych, np. erytrocyty, które tracą jądra podczas rozwoju.

- W komórce może być wiele jąder, tzw. komórczaków; powstają one jako efekt wielokrotnych mitoz, którym nie towarzyszą cytokinezy (plazmodia) lub zlewanie się komórek jednojądrowych (syncytia).

- Jądro składa się z: otoczki jądrowej, kariolimfy, czyli plazmy jądrowej, chromatyny oraz jąderka.

- Chromatyna to interfazowa postać materiału genetycznego – DNA – połączonego z białkami zasadowymi.

Rys. Schemat budowy jądra komórkowego

Ze względu na aktywność i rolę, jaką spełnia, wyróżniamy następujące rodzaje DNA:

• Unikalny DNA – jego fibryle chromatynowe występują w postaci luźnej lub zbitej, zawsze są jednak aktywne genetycznie. Zawierają unikalne sekwencje nukleotydowe, kodujące ważne białka organizmu. Tę frakcję nazywamy euchromatyną.

• Satelitarny DNA (satDNA) – ta część fibryli chromatynowych pozostaje w stanie zespiralizowanym i zawiera informację genetyczną nierealizowaną przez organizm; prawdopodobnie spełnia funkcje regulatorowe w stosunku do sekwencji kodujących. W czasie podziałów komórkowych (kariokinezy) tworzy centromer i satelitę budujących się chromosomów. Frakcję tę nazywamy heterochromatyną. Maksymalna kondensacja chromosomów uniemożliwia transkrypcję genów. W komórkach ssaków jeden z dwóch chromosomów X już na etapie rozwoju zarodkowego ulega silnej kondensacji, a tym samym ulega wyeliminowaniu (w każdej komórce kobiety jest on obserwowany jako niewielka, ciemna struktura zwana ciałkiem Barra lub chromatyną X).

• Rybosomalny DNA (rDNA) – występuje głównie w jąderku, służy jako matryca do syntezy rRNA, ulega transkrypcji na pre-rRNA. Ten buduje po obróbce wraz z białkami rybosomy. W czasie podziałów tworzy przewężenie wtórne chromosomów.

- Wszystkie rodzaje DNA są bardzo długimi polimerami (łączna długość DNA w jednej komórce człowieka wynosi ok. 2 metry), dlatego zachodzi potrzeba odpowiedniego upakowania go w jądrze. Stopień kondensacji DNA, czyli zagęszczenia chromatyny, zależy od fazy cyklu komórkowego; podczas mitozy i mejozy nici chromatyny osiągają najwyższy stopień kondensacji i tworzą wówczas chromosomy.

- Podstawowymi jednostkami fibryli chromatynowych są nukleosomy;  fibrylę tworzą  oktamery histonowe (każdy oktamer to twór zbudowany z 8 cząsteczek białek histonowych), na które nawinięta jest helisa DNA. Histony stanowią połowę masy chromosomów eukariotycznych. Fibryla chromatynowa zwija się następnie w zwartą rurkę, czyli solenoid.  Solenoid tworzy długie, pofałdowane pętle, ułożone jedna przy drugiej, tzw. domeny, które są koliste, a dzięki temu bardziej stabilne i mniej narażone na działanie enzymów trawiennych. Dodatkowo, każda z domen zostaje spięta białkiem niehistonowym, utrwalającym stopień kondensacji. Tak więc materiał genetyczny eukariota zorganizowany jest następująco:

DNA >> fibryla chromatynowa >> solenoid >> domena >> chromatyda >> chromosom metafazowy.

Rys. Schemat budowy nukleosomów

- Chromosomy występują w krótkim okresie życia komórki – podczas podziału, w okresie interfazowym w jądrze występuje zawsze ich postać luźna, czyli chromatyna.

- Liczba chromosomów jest stała i ściśle określona dla każdego gatunku. Większość organizmów posiada podwójny komplet chromosomów (podwójny genom), czyli liczbę diploidalną = 2n; jedynie gamety wszystkich organizmów, gametofity roślin oraz niektóre protisty mają pojedynczy komplet chromosomów, czyli mają liczbę haploidalną chromosomów = n.

- Chromosom składa się z dwóch identycznych,  siostrzanych chromatyd, które powstają w wyniku replikacji DNA.

- W każdym chromosomie występują trzy wyspecjalizowane sekwencje DNA:

• sekwencje, w których zaczyna się replikacja, tzw. miejsca inicjacji replikacji;

• sekwencje, do których dołączają się nici wrzeciona podziałowego i następuje precyzyjny podział chromosomów na chromatydy; tworzą one centromer. W rejonie centromeru w czasie podziału powstaje specjalna struktura białkowa – kinetochor, do którego przyłączają się nici wrzeciona podziałowego;

• sekwencje na każdym z dwóch końców chromosomu, tzw. telomery, zawierające powtarzające się sekwencje nukleotydów,  zabezpieczające chromosomy przed skracaniem podczas kolejnych cykli podziałowych. Za syntezę telomerów odpowiedzialny jest enzym telomeraza, który po każdej replikacji DNA dobudowuje brakującą część chromosomu.

Centromer dzieli każdą z chromatyd na dwa ramiona; ze względu na położenie centromerów wyróżniamy następujące typy morfologiczne chromosomów: metacentryczne, submetacentryczne, akrocentryczne oraz telocentryczne.

Rys. Typy morfologiczne chromosomów

- W jądrze znajduje się jedno lub kilka jąderek, które są miejscem powstawania podjednostek rybosomalnych, rybosomalnego RNA oraz przenośnikowego RNA – tRNA. Nie jest ono oddzielone od cytoplazmy jądrowej otoczką, nie występuje w komórkach, które nie syntetyzują białek, np. w plemnikach. Na terenie jąderka występuje rDNA, na matrycy którego powstaje pre-rRNA. Są dynamiczne; zmieniają się w cyklu komórkowym, zanikają i odtwarzają po podziale komórki na nowo.

- W otaczającej jądro podwójnej błonie białkowo-lipidowej występują pory, przez które odbywa się transport makrocząsteczek niezbędnych do syntezy białek komórki. Otoczka jądrowa łączy się z systemem błon retikulum endoplazmatycznego granularnego zawierającego rybosomy.

- Wnętrze jądra wypełnione jest kariolimfą – sokiem jądrowym; jest to białkowy koloid nadający turgor otoczce; zawiera enzymy biorące udział w replikacji DNA oraz transkrypcji

CYKL KOMÓRKOWY
Na podzial kom. sklada sie dwa procesy: kariokineza (podzial jadra) - kom. potomne dostaja pelny zestaw chromosomów, w jadrze zachodzi Szereg zmian w kolejnych fazach - profazie, Metafaza, anafaza, telofaza. Cytokineza - (podzial cytoplazmy) - rozpoczyna sie pod koniec anafazy, tworzy sie wrzeciono cytokinetyczne zbudowane z mikrotubul, w tworzeniu blony cytopl. oddzielajacej obie kom. potomne biora udzial pecherzyki wytworzone przez Aparat Golgiego.

INTERFAZA
Faza miedzy podzialowa - wyrózniamy Okres wzrostu jadra, gdy osiaga Normalna wielkosc (okres ten to G1). Po nim nastepuje Okres syntezy DNA (replikacja) i bialek histonowych, w tym czasie wzrost ilosci chromatyny jest dwukrotny (okres ten to S). W okresie G2 powieksza sie jadro, co jest spowodowane zwiekszeniem ilosci soku kom.

REPLIKACJA DNA
Podwojenie sie ilosci DNA, rozlanczaja sie oba lancuchy polinukleotydowe, z których kazdy spelnia role matrycy umozliwiajac synteze lancucha dopelniajacego. Z jednej wyjsciowej czasteczki DNA powstaja dwie identyczne kopie. Replikacja DNA jest podstawa przekazywania stalej informacji genetycznej przez nastepujace po sobie pokolenia kom.

MITOZA
Obejmuje Jeden podzial, to kariokineza w wyniku której dochodzi do cytokinezy i powstaja kom. potomne o jadrach zawierajacych taka sama liczbe chromosomów jak jadro kom. macierzystej. Zachodzi w kom. somatycznych i prowadzi do ich namnazania. Mitoza dzieli sie na: profaze (chromosomy dziela sie na 2 chromatydy), metafaze (chromosomy podzielone na 2 chromatydy ustawiaja sie w pozycji równikowej wrzeciona kariokinetycznego), anafaze (do biegunów kom. rozchodza sie w wyniku skracania wlókien wrzeciona kariokinetycznego chromatydy), telofaze (chromatydy osiagaja Biegun kom., powstaja dwa jadra potomne o diploidalnej liczbie chromosomów. Po mitozie ilosc DNA jest o polowe mniejsza, ubytek jest uzupelniony w interfazie (okres S podczas replikacji DNA).Powstaja 2 kom. potomne. Przyczynia sie do podwajania Liczby kom., do ich namnazania, a to prowadzi do przyrostu masy ciala organizmu i jego wzrostu. Nastepstwem jest przekazanie tej samej informacji genetycznej.

MEJOZA
Jest kariokineza podczas której nastepuje Redukcja Liczby chromosomów, zachodzi w kom. macierzystych gamet i prowadzi do powstania haploidalnych gamet. Haploidalne gamety zawieraja 1n chromosomów. Po zaplodnieniu powstaje Zygota kom. 2n, która bedzie sie rozwijac w dojrzaly Organizm zdolny do produkcji kolejnych gamet. Podczas mejozy zachodza dwa sprzezone ze soba podzialy: I - podzial mejotyczny (redukcyjny), II - mejotyczny podobny do przebiegu mitozy dlatego zwany mitotycznym. W obu zachodza kolejno: profaza, Metafaza, anafaza, telofaza. Po podzialach powstaja z 1 kom. macierzystej 4 kom. potomne. Liczba chromosomów przed podzialem 2n po podziale 1n. Profaza I - Trwa dlugo w 5 stadiach: laptoten, Zygoten, pachyten, diploten, diakineza, zachodzi crossing-over - Rekombinacja materialu genetycznego, poszczególne osobniki róznia sie miedzy soba (nie ma dwóch identycznych osobników jednego gatunku), Metafaza I - tetrady (para chromosomów homologicznych podzielonych na 4 chromatydy ustawiaja sie w pozycji równikowej wrzeciona kariokinetycznego ), anafaza I - (do biegunów kom. rozchodza sie w wyniku skracania wlókien wrzeciona kariokinetycznego chromosomy) , telofaza I - Chromosomy osiagaja Biegun kom. powstaja 2 jadra potomne o 1n liczbie chromosomów, nie zachodzi cytokineza. Przebieg II podzialu - zachodzi Redukcja DNA i zwiekszenie Liczby jader kom, powstaja 4 kom potomne o haploidalnej liczbie chromosomów w jadrach. Nastepstwem jest zmiennosc informacji genetycznej.