BUDOWA CHEMICZNA DNA
1.Cząsteczka DNA zbudowana jest z jednostek zwanych nukleotydami o składzie :
a) cukier pięciowęglowy (pentoza)
b) jedna z 4 zasad azotowych :
- purynowe (cząsteczka zbudowana z 2 pierścieni .Do tych zasad należą :adenina ,guanina
- piremidymowe (cząsteczka zbudowana z jednego pierścienia .Do nich należą :cytozyna , tynina
c)reszta kwasu fosforowego
2.Zasady azotowe nukleotydów należący do 2 różnych nici łączą się ze sobą zgodnie z regułą komplementarności zasad
3.Rodzaje wiązań chemicznych w DNA
- wodorowe -pomiędzy zasadami azotowymi nukleotydów
- fosfodyestrowe -łączy poprzez grupę fosforanową piąty atom węgla jednego nukleotydu z trzecim atomem węgla następnego nukleotydu(nukleotydy jednej nici )
glikozydowe -pomiędzy zasadą azotową ,a pierwszym atomem wegla dezosyrybozy (zasada -cukier)
Uszkodzenie DNA
Uszkodzenie DNA na skutek procesów metabolicznych wewnątrz komórki i czynników środowiskowych, występuje z szacowaną częstością 1 000 do 1 000 000 pojedynczych uszkodzeń cząsteczek DNA na komórkę każdego dnia[1]. Stanowi to jedynie 0,000165% ludzkiego genomu składającego się z około 6 miliardów zasad (3 miliardów par zasad), ale nienaprawione uszkodzenia w krytycznych dla funkcji komórki genach (takich jak geny supresorowe nowotworów) może upośledzić zdolność komórki do pełnienia jej funkcji i znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo transformacji nowotworowej.
Duża część uszkodzeń cząsteczek DNA, najczęściej związanych z chemiczną modyfikacją zasad, objawia się zaburzeniem pierwszorzędowej struktury podwójnej helisy. Zmodyfikowane zasady zaburzają regularny przebieg helisy poprzez wprowadzenie dodatkowych, nienaturalnych wiązań chemicznych czy zawady sterycznej, która poprzez fizyczne niedopasowanie wypacza strukturę helisy. W przeciwieństwie do białek czy RNA, DNA zazwyczaj nie posiada istotnej dla funkcjonalności struktury trzeciorzędowej dlatego zaburzenia zwykle nie występują lub są nieistotne na tym poziomie organizacji strukturalnej. Jakkolwiek nić DNA jest zazwyczaj zwinięta do postaci "superzwiniętej" (ang. supercoiled), a jej upakowanie jest wspomagane przez oddziaływania z histonami - te oddziaływania, jak i struktura "superzwinięta" mogą być zaburzone przez uszkodzenia DNA.
Naprawa DNA -
szereg procesów prowadzących do identyfikacji i naprawy zmian w cząsteczkach DNA w żywej komórce. W komórkach organizmów żywych procesy metaboliczne i czynniki środowiskowe mogą powodować uszkodzenie DNA. W każdej komórce codziennie ma miejsce nawet milion takich uszkodzeń[1]. Wiele z nich powoduje trwałe zmiany w cząsteczce DNA, które mogą upośledzić albo pozbawić komórkę możliwości prawidłowej transkrypcji kodowanego przez uszkodzony fragment DNA genu. Inne uszkodzenia mogą skutkować potencjalnie groźną dla genomu komórki mutacją, dotyczącą tej komórki i wszystkich następnych powstałych z niej po podziałach. Oznacza to, że proces naprawy DNA w komórce musi być cały czas aktywny, by móc szybko i skutecznie niwelować skutki każdego uszkodzenia komórkowego DNA.
Powodzenie naprawy DNA zależy od wielu czynników, w tym typu i wieku komórki oraz środowiska pozakomórkowego. W komórce, w której duża ilość DNA uległa uszkodzeniu albo której mechanizmy naprawy DNA nie są wystarczająco efektywne, mogą zajść:
nieodwracalny stan wygaśnięcia aktywności komórki - starzenie się komórki
samobójcza śmierć komórki, czyli apoptoza
niekontrolowane podziały, prowadzące do powstania nowotworu.
Zdolność komórki do naprawy własnego DNA jest istotna dla integralności fizycznej całego genomu oraz integralności informacji genetycznej, którą niesie, a więc i dla prawidłowego funkcjonowania całego organizmu. Wiele genów które początkowo zidentyfikowano jako wpływające na długość życia komórek, z czasem okazały się być zaangażowane w procesy naprawy i ochrony DNA przed uszkodzeniem[2]. Nieprawidłowy przebieg naprawy zniszczeń komórkowych w komórkach generatywnych może doprowadzić do propagacji mutacji w gametach i w rezultacie, przekazania mutacji potomstwu. Z drugiej strony, między innymi takie mutacje są siłą napędową ewolucji biologicznej.
Funkcje DNA; służy przekazywaniu informacji genetycznej (genów)
komórka i organizmom potomnym, kieruje synteza białek w
organizmie 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.
euchromatyna stanowi tę frakcję chromatyny która ulega całkowitej dekondensacji. Zawiera sekwencje unikatowe i powtarzalne, jest więc aktywna genetycznie Euchromatyna w wyniku kondensacji może przekształcić się w chromatynę zwartą nieaktywną w skutek niedostępności wzorca - DNA . Proces kondensacji euchromatyny jest odwracalny tj. chrom. zwarta nie będąca heterochromatyną może w wyniku dekondensacji przekształcić się w aktywną genetycznie chromatynę luźną. Ilość heterochromatyny i euchromatyny jest cechą gatunkową i nie ulega zmianie w procesie różnicowania komórkowego, natomiast zawartość chromatyny luźnej i zwartej w jądrach komórek tego samego organizmu może znacznie się różnić - zależy od aktywności transkrypcyjnej jądra.
poziomie molekularnym są tzw. mutacje dynamiczne, polegające na zwielokrotnieniu kopii określonego fragmentu DNA. Charakterystyczną cechą chorób wywoływanych przez tego typu defekty molekularne jest występowanie zjawiska międzypokoleniowej antycypacji, polegającej na stopniowym obniżaniu się wieku wystąpienia objawów chorobowych w kolejnych pokoleniach. Zjawisko to jest związane między innymi z międzypokoleniowym wzrostem liczby powtórzeń, których ekspansja jest przyczyną choroby.
Do mutacji chromosomowych należy:
- deficjencja- wypadnięcie większego odcinka z chromosomami
A
B
C
D
E
A
B
C
- inwersja - odwrócenie fragmentu chromosomu obrót o 180 st.
duplikacja- podwojenie odcinka z genami, ale gdy został dołączony odcinek z chromosomami homologicznymi
Translokacja- do chromosomu homologicznego zostaje przyłączony inny chromosom
Mutacji chromosomowych - zmiany zachodzą w liczbie lub strukturze chromosomów (zachodzi duplikacja, czyli podwojenie odcinka chromosomu; inwersja, czyli odwrócenie; translokacja, czyli przemieszczenie odcinków pomiędzy chromosomami niehomologicznymi; delecja, czyli ubytek w chromosomie).
Częstotliwość mutacji
Mutacje są zjawiskiem zachodzącym bardzo wolno, szczególnie u organizmów niższego szczebla. Częstość mutacji rośnie pod wpływem czynników mutagennych (fizycznych i chemicznych). Częstość mutacji mała, ale wywołane przez nie zmiany niosą często poważne zagrożenia. Drobne szkody są naprawiane natychmiast po procesie replikacji przez odpowiednie polimerazy.
Błędy w replikacji - promutageny
Powstają w wyniku nieprawidłowego funkcjonowania polimeraz DNA. Mogą być przyczyną mutacji, jeśli nie są w porę naprawione przez właściwe kompleksy enzymatyczne.
Korzystne i niekorzystne skutki mutacji
Do skutków korzystnych zalicza się te które zwiększają dostosowanie organizmu. Występują stosunkowo rzadko. Niekorzystne mogą mieć skutek śmiertelny (letalny) lub też ograniczają dostosowanie organizmu, w razie pogorszenia warunków bytowych organizm nie ma szans przeżycia (warunkowo letalne) - występują najczęściej. Istnieją także mutacje neutralne, które nie zmieniają dostosowania osobników - są ważne z punktu widzenia ewolucji.
komórka roślinna jest totipotentna-nmoże ona dać początek (w wyniku kolejnych podziałów i różnicowania) różnym rodzajom wyspecjalizowanych komórek, których w dorosłym organizmie jest ponad 100 rodzajów, a ich liczba przekracza 80 bilionów.
W wyniku połączenia plemnika z komórką jajową powstaje więc pierwotna, totipotencjalna komórka macierzysta.
Mutacje
Przekazywany z pokolenia na pokolenie zapis informacji genetycznej nie jest ustalony raz na zawsze. Może on ulegać zmianom.Mutacje mogą powstawać samoistnie lub pod wpływem czynników mutagennych, czyli mogą być wywoływane przez człowieka - indukowane. Mogą przejawiać się efektami fenotypowymi dużymi lub nieznacznymi.
Komórka chroni cząsteczkę DNA przed bezpośrednim działaniem czynników zewnętrznych, mimo to ilość uszkodzeń w DNA jest znaczna.
Mutacje można podzielić ze względu na:
miejsce występowania:
-somatyczne (są niedziedziczne, dotyczą komórek ciała)
-generatywne( są dziedziczne, dotyczą gamet)
materiał genetyczny:
-mutacje genowe - obejmują krótki odcinek DNA i dotyczą zmian sekwencji nukleotydów o obrębie genu.
-mutacje chromosomowe - dotyczą zmian w strukturze chromosomów
-mutacje genomowe - dotyczą zmian liczby chromosomów
Do mutacji genowych należy:
- tranzycja - zmiana zasady purynowej w purynową i pirymidynowej w pirymidynową
A w G i G w A
T w C i C w T
-transwersja - zmiana zasady purynowej w pirymidynową i odwrotnie
A
B
C
D
E
- delecja- wypadnięcie jednego nukleotydu
A
C
D
E
-insercja- wstawienie nowego nukleotydu w łańcuch DNA.
W wyniku mutacji genowych powstaje nowy allel genu. U organizmów haploidalnych( np. Bakterii) będzie to zauważalne fenotypowo, natomiast u organizmów diploidalnych może sie przejawiać w powstającej heterozygocie.
Mutacje genowe wywołują następujące choroby:
albinizm ( bielactwo wrodzone, mutacja recesywna )
fenyloketonuria ( mutacja recesywna objawiająca się zaburzeniami w rozwoju umysłowym, zaburzeniami ruchu )
alkaptomuria ( mutacja recesywna, objawieniami są m.in. czarne zabarwienie moczu i stany zapallne różnych narządów oraz ciemnienie skóry )
anemia sierpowata ( hemoglobina ma słabe powinowactwo do tlenu a sierpowate krwinki łatwo ulegają zniszczeniu, mutacja recesywna)
pląsawica Hunginktona ( mutacja dominująca, której objawem są m.in. Zaburzenia ruchowe i postępujące zmiany zwyrodnieniowe układu nerwowego w 25-45 roku życia, z upośledzeniem umysłowym )
Do mutacji chromosomowych należy:
- deficjencja- wypadnięcie większego odcinka z chromosomami
A
B
C
D
E
A
B
C
- inwersja - odwrócenie fragmentu chromosomu obrót o 180 st.
duplikacja- podwojenie odcinka z genami, ale gdy został dołączony odcinek z chromosomami homologicznymi
Translokacja- do chromosomu homologicznego zostaje przyłączony inny chromosom
Mutacje genomowe mogą być związane z:
autosomami
allosomami
Takie zmiany w genomie człowieka powodują śmierć lub anomalie rozwojowe.
Wśród takich mutacji wyróżnić można następujące kategorie:
aneuploidy - osobniki lub komórki wykazujące odchylenia od diploidalnej liczby chromosomów. Zmiany aneupoliploidalne dzieli się na nullisomie, monosomie, trisomie oraz tetrasomie. U monosomików w zygocie występuje tylko jeden z danej pary chromosomów, natomiast u trisomików zamiast dwóch chromosomów homologicznych, w zygocie występują aż trzy. Analogicznie jest z tetrasomikami oraz nullisomikami, jednak są one prawie zawsze letalne.
euploidy - osobniki lub komórki wykazujące odchylenia polegające na zwielokrotnieniu całej podstawowej liczby chromosomów. Wyróżniamy wśród nich autopoliploidy oraz allopoliploidy. Autopoliploidy to organizmy posiadające zwiększoną liczbę identycznych genomów. Jest to wynikiem niewykształcenia się wrzeciona kariokinetycznego w czasie pierwszego podziału zygoty. Allopoliploidy z kolei to mutanty powstałe z połączenia genomów dwóch różnych gatunków (np.: muł). Są one jednak rzadkością i większość z nich jest niezdolna do życia.
Choroby genetyczne u ludzi spowodowane mutacjami genomowymi:
trisomia 21 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Downa lub idiotyzm mongoidalny - objawia się niedorozwojem umysłowym, niski wzrost, skośne szpary powiekowe, nieprawidłowości w rozwoju zębów, duży język, wąskie podniebienie, wady narządów wewnętrznych; pomimo upośledzenia chorzy osiągają pewien stopień rozwoju umysłowego; wykazują typowe cechy charakterologiczne - pogodne usposobienie, instynkt społeczny, upór; zespół Downa predysponuje do występowania białaczki (10x częściej)
trisomia 13 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Pataua - objawy: niedorozwój umysłowy, wady oczu, deformacja uszu, rozczep wargi, polidaktylia, wady narządów
trisomia 18 para tzw. zespół Edwardsa - objawy: głęboki niedorozwój umysłowy, wady rozwojowe, wczesna śmierć w okresie niemowlęcym
zespół Klinefeltera 2n + XXY u mężczyzn (niedorozwój jąder, obniżona inteligencja) i 2n + 3X u kobiet (zaburzenia miesiączkowania lub wtórny brak miesiączki, niski stopień inteligencji)
zespół Turnera 2n + X - (niski wzrost, infantylizm narządów płciowych, bezpłodność)
Czynniki wywołujące mutacje
Mutacje zachodzą spontanicznie we wszystkich żyjących komórkach. Ich częstość jest jednak niska. Częstość mutacji zwiększa się pod wpływem tzw. czynników mutagennych. Powodują uszkodzenia cząsteczki DNA przy replikacji. Zwiększenie częstości pojawienia się uszkodzeń prowadzi tym samym do zwiększenia się częstości mutacji.
Mutagenny jest:
kwas azotowy III - HNO2, który powoduje dezaminację (usuwa grupy NH2) zasad azotowych co prowadzi do zmiany zasad cytozyny na uracyl, itp.
związki alkilujące (związki mające grupy alkilowe) np. pochodne iperytu
barwniki akrydynowe np. proflawina, akryflawina, oranż akrylowy, których działanie polega na deformacji helisy - powodując delecje lub insercje
analogi zasad np. 5 bromouracyl analog tyminy czy aminopuryna, które mogą włączyć się do DNA w miejsce normalnych zasad azotowych
promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie
alkaloidy - kolchicyna prowadzące do poliploidalności
czynniki metaboliczne np. deficyt jonów Ca i Mg
sole metali ciężkich
benzopiren, znajdujący się w dymie papierosowym
Takie związki wykorzystuje są, na przykład w celu uzyskania mutantów ( czyli niosących mutacje ) bakterii czy drożdży do prac naukowych lub też hodowlanych roślin i zwierząt.
Efekty działania mutagenów
Mutacje zachodzące w komórkach somatycznych prowadzą czasem do powstania nowotworu. W przypadku organizmów wielokomórkowych efekty mutacji będą przekazywane potomstwu tylko wtedy, gdy nastąpi ona w komórkach rozrodczych. Nowotwory są wynikiem nagromadzenia się mutacji w komórce. Aby z normalnej komórki powstała komórka nowotworowa musi zajść najczęściej kilka mutacji w genach związanych przede wszystkim z kontrolą jej podziałów. Promieniowanie słoneczne sprzyja powstawaniu nowotworów skóry a palenie papierosów powoduje często raka płuc. Nie oznacza to jednak, że każda osoba opalająca się będzie miała raka skóry a u każdego palacza wystąpi rak płuc, jednak możliwość zachorowań wyraźnie wzrasta. A efekty widoczne są dopiero po wielu latach.