Seminarium z biologii molekularnej I ----> DNA

1) Budowa i funkcje DNA:

DNA jest liniowym polimerem, dla którego monomerem są nukleotydy. Nukleotydy zbudowane są z: 5C cukru deoksyrybozy, którego grupa OH przy ostatnim atomie C jest zestryfikowana reszta fosforanową, a pierwszy atom C połączony jest wiązaniem N-glikozydowym z jedną z 4 zasad azotowych: adeniny A i guaniny G (zasady purynowe) oraz cytozyny C i tyminy T (zasady pirymidynowe). W DNA niektórych wirusów, np. bakteriofagów, zamiast tyminy występuje uracyl, (U).

W skład cząsteczki DNA zwykle wchodzą dwa łańcuchy (DNA dwuniciowe), 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 fosfodiestrowym, znajdują się na zewnątrz helisy, natomiast zasady skierowane są do wnętrza i tworzą pary 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 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.

Adenina zawsze laczy się dwoma wiazaniami z tymina, a guanina trzema z cytozyna. W ten sposób nici sa komplementarne (przystające).

Calkowita ilość puryn równa jest całkowitej liczbie cząsteczek pirymidyn, A+G=T+C, jednoczesnie liczba czasteczek adeniny jest rowna liczbie czasteczek tyminy, natomiast liczba czasteczek guaniny jest rowna liczbie czasteczek cytozyny.

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 OH 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 antyrównoległe.

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.

DNA występuje w

- jądrze komórkowym

- w mitochondrium

- w chloroplastach komórek roślinnych

Funkcje:

- służy przekazywaniu informacji genetycznej (genów) organizmom potomnym

- kieruje synteza białek w org miedzy innymi białek enzymatycznych a dzięki temu kieruje wszystkimi procesami zachodzącymi w organizmie (metabolizm)

Gen jest to fragment DNA zawierający informacje dotyczącą syntezy jednego białka.

2) Rodzaje DNA:

DNA rozróżnia się pod względem:

* pochodzenia w czasie - aDNA - każde DNA, które nie zostało specjalnie zachowane do późniejszych analiz.

* funkcji:

- cDNA, komplementarny, cechą charakterystyczną jest brak intronów, co jest wynikiem potranskrypcyjnej obróbki mRNA.

- mtDNA, mitochondrialny, materiał genetyczny w postaci kolistego DNA znajdujący się w mitochondrium.

- chlDNA, chloroplasty zawierają własny materiał genetyczny w postaci dwuniciowego, kolistego DNA.

* struktury

o jednoniciowy

o dwuniciowy

o trójniciowy

o czteroniciowy

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.

3) Genomy- rodzaje genomów:

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 org;

2. jako główna, zasadnicza część materiału genetycznego jakiegoś org; u bakterii genofor w odróżnieniu od plazmidu, u organizmów eukariotycznych DNA jądrowe w odróżnieniu od DNA mitochondriów (mtDNA) i plastydów;

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

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.

4) Sposób upakowaniaDNA w jądrze eukariotycznym:

Jądro 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.

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

- euchromatyna- aktywną genetycznie, która pod względem struktury jest mniej upakowana

- heterochromatyna- nieaktywną genetycznie, silnie upakowana.

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.

5) Chromosomy:

Chromosomy- forma organizacji materiału genetycznego wewnątrz komórki. 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.

Chromosomy dzielą się na autosomy - zawiadujące dziedziczeniem cech nie sprzężonych z płcią, oraz chromosomy płciowe - czyli allosomy lub heterosomy, których obecność przejawia się u konkretnej płci i w wielu przypadkach determinuje ją.

U człowieka występują 22 pary autosomów (ponumerowanych od największego do najmniejszego) i 1 para chromosomów płciowych (u kobiet złożona z dwóch chromosomów X, u mężczyzny z chromosomu X i chromosomu Y).

6) Podstawowe pojęcia:

Biologia molekularna – dziedzina biologii, łącząca elementy biofizyki i biochemii, zajmująca się badaniem struktury i funkcji makromolekuł, przede wszystkim białek i kwasów nukleinowych. Opisuje sposób zachodzenia i mechanizmy regulacji różnorodnych procesów życiowych organizmu na poziomie molekularnym, np. przewodnictwa impulsów nerwowych, działania hormonów, funkcjonowania błon komórkowych, kurczliwości mięśni, różnicowania się komórek, morfogenezy.

Crossing-over - to wymiana materiału genetycznego między chromosomami homologicznymi, w celu zwiększenia zmienności genetycznej. Proces ten zachodzi w profazie mejozy i polega na tworzeniu połączeń

Genetyka – nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na informacji zawartej w podstawowych jednostkach dziedziczności - genach.

Wrzeciono kariokinetyczne - to wrzecionowata struktura zbudowana z włókien białka (tzw. mikrotubul). Włókna te są kurczliwe i zawierają niewielkie ilości RNA. Wrzeciono kariokinetyczne odgrywa ważną rolę w procesie "wędrówki" chromosomów do przeciwległych biegunów komórki.

Locus- to miejsce na chromosomie gdzie zlokalizowany jest gen.