Fizjoterapia zaoczne

Grupa VI

Piotr Arasimowicz

Temat: Struktura, formy, funkcje DNA

U człowieka, jak i u innych organizmów, kwas nukleinowy jest nośnikiem informacji genetycznej i ma strukturę, która idealnie do tej funkcji pasuje. Są dwa typy głównych kwasów nukleinowych: DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy): każdy z nich składa się z szkieletu cukrowo - fosforanowego z wystającymi zasadami azotowymi. Istnieją dwa typy zasad azotowych: puryny i pirymidyny. W DNA wystepują dwie zasady purynowe: adenina (A) i guanina (G), oraz dwie zasady pirymidynowe: tymina (T) i cytozyna (C). RNA także zawiera adenine, guanine i cytozynę, ale zamiast tymidyny ma uracyl (U). Cukrem w DNA jest deoksyryboza, a w RNA ryboza. Zasady azotowe wiążą się w pozycji 1' (jeden prim) z każdym cukrem, a fosforan łączy grupy hydroksylowe 3' i 5'. Cząsteczka złożona z zasady purynowej lub pirymidynowej wraz z dołączonym cukrem i grupą fosforanową nazwa się nukleotydem.

Cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów nukleotydowych, które są skręcone zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, jeden dookoła drugiego, aby utworzyć podwójna helisę z 10 nukleotydami na pełny skręt DNA. Dwa łańcuchy mają odwrotną polarność i są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe między A w jednym łańcuchu i T w drugim lub między G i C. Takie łączenie zasad jest wysoko swoiste, chociaż rzadko mogą występować błędne połączenia. Łączą się A:T i G:C, więc równolegle nici muszą być do siebie komplementarne. I tak, kiedy w jednej nici jest ATGA a nici komplementarnej jest TACT. Stąd wynika, że stosunek A do T i G do C jest jak 1 do 1 ( reguła Chargaffa). Duża zmienność istnieje w stosunku (A + T) / (G + C). Wyższe rośliny i zwierzęta zwykle mają nadmiar (A + T), a u człowieka stosunek ten wynosi 1,4 do 1.

U człowieka całkowita długość DNA w haploidalnym zestawie chromosomów wynosi 3000 milionów par zasad lub 3 miliony kilobaz, ponieważ każda kilobaza (kb) równa się 1000 par zasad. Gdyby łańcuch był wyprostowany miał by długość 1,74m.

Szacuje się DNA człowieka koduje 500000 genów strukturalnych. Każdy gen ma zazwyczaj tylko jedną kopię w genomie haploidalnym i jeżeli przeciętna wielkość genu wynosi 10kb zajmuje to tylko 500000kb lub mniej niż 17% całkowitego DNA. Dużą część pozostałego DNA stanowią powtarzają się sekwencje. Występują one w setkach lub wielu tysiącach kopii i mogą być rozproszone lub połączone w grupy. Umiarkowanie powtarzające się sekwencje DNA zawierają pewne geny funkcjonalne, które występują w postaci wielu kopii, np. rybosomalny RNA (300 - 400 kopii) i geny i histonowe. W przeciwieństwie do nich często powtarzające się sekwencje DNA (być może 10% całkowitego DNA) nie ulegają transkrypcji i ich funkcja jest nieznana jedno z rodzin często powtarzających się sekwencji DNA nazwano Alu. Składa się ona z około 500000 kopii sekwencji 300 par zasad rozproszonych w genomie, co stanowi około 4% całkowitego DNA. Rodzina alphoid często powtarzających się sekwencji DNA także zajmuje 4% całkowitego DNA i występuje w postaci krótkich tandemów blisko centromerów we wszystkich chromosomach, a zwłaszcza w chromosomach 1, 9, 16 Y.

W komórkach zwierzęcych prawie cała ilość DNA znajduje się w jądrach komór­kowych, a tylko niewielka jego ilość występuje w mitochondriach. DNA jądrowy stanowi 85-90% całkowitej zawartości DNA w komórce. Pozostała ilość to DNA satelitarny. DNA satelitarny wyodrębniono metodą frakcjonowania z DNA jądro­wego. Od głównej frakcji DNA różni się on masą cząsteczkową oraz składem zasad. Pewien rodzaj DNA satelitarnego, stanowiący 0,1-0,2% ogólnej ilości DNA, wystę­puje w mitochondriach. Mitochondrialny DNA jest dwuniciowy, o kształcie kolistym (nici pozwijane w kłębek). Jedno mitochondrium zawiera 4—6 cząsteczek tego kwasu, co sugeruje bakteryjną biogenezę mitochondrium eukariotycznego.

Jądro komórkowe zawiera chromatynę, z której przed podziałem komórkowym różnicują się struktury zwane chromosomami. W stanie spoczynkowym jądra chromatyna ma postać rozproszoną. W skład jej suchej masy wchodzi około 20% DNA, 20% histonów, 40% białek niehistonowych, kilka procent lipidów oraz RNA jądrowy.

Chromatyna jest zbudowana z podjednostek, zwanych nukleosomami. Nukleosom jest to kłębuszek zbudowany z białek histonowych, opleciony zwojem łańcucha DNA. Według hipotezy budowy koralikowej nici chromatynowej, łańcuch DNA w regularnych odstępach oplata kłębuszki histonowe, tworząc strukturę, którą można porównać ze sznurem z nanizanymi koralikami. Każdy kłębuszek (koralik) jest oktamerem zbudowanym z 4 rodzajów histonów, występujących parami, a miano­wicie: H3 i H4 bogate w argininę oraz H2A i H2B o umiarkowanej zawartości lizyny. Ponadto w odcinkach nici DNA, oddzielającej poszczególne kłębuszki, znaj­dują się pojedyncze cząsteczki piątego histonu Hl bogatego w lizynę. Kłębu­szek oktamerowy jest opleciony fragmentem DNA obejmującym 170 par zasad azotowych, natomiast fragmenty DNA wiążące poszczególne kłębuszki są złożo­ne z 35 par zasad.

W stadium metafazy uwidacznia się struktura chromosomów. Podstawowa nić chromatynowa w chromosomach ulega wielostopniowej spiralizacji umożliwiającej dokładne wpasowanie dużych ilości DNA w stosunkowo niewielką objętość chromosomu.

W skład chromatyny oprócz białek histonowych wchodzą także białka kwaśne, zwane resztkowymi lub niehistonowymi. Masy cząsteczek tych białek wykazują znaczną rozpiętość. Stwierdzono znaczne różnice w ich budowie, a także w funkcji. Cechują się one wysoką specyficznością tkankową, a także gatunkową. Na kwaśny charakter tych białek wpływa nie tylko obecność kwaśnych aminokwasów, lecz także reszt fosforanowych związanych z hydroksyaminokwasami wiązaniem estrowym. Białka niehistonowe przejawiają wysoką aktywność metaboliczną. Łatwość wytwarzania kompleksów z DNA i histonami umożliwia ich rolę regulacyjną. Spełniają także rolę receptorów hormonów steroidowych. Wiele spośród tych białek pełni funkcje enzymatyczne, związane z metabolizmem kwasów nukleinowych oraz białek.

W jąderku komórkowym występuje DNA łącznie z towarzyszącymi mu rybonukleoproteinami.

W komórkach zwierzęcych występują 4 zasadnicze rodzaje RNA: jądrowy -nRNA, transferowy - tRNA, matrycowy, czyli informacyjny - mRNA, i rybosomalny - rRNA. Jądrowy RNA (nRNA) stanowi mieszaninę wielu rodzajów kwasów rybonukleinowych. Niektóre z nich, np. tRNA i rRNA, są w jądrze komórkowym syntetyzowane i przebywają w nim tylko okresowo. W jąderku stwierdzono obecność RNA, który jest prekursorem rRNA. Występujący stale w jądrze komórkowym RNA można podzielić na dwa rodzaje. Jeden z nich jest bardzo szybko syntetyzowany i kataboli-zowany. Jego okres półtrwania wynosi od kilku minut do kilku godzin. Został nazwany kwasem rybonukleinowym heterogennym (hnRNA) o dużej masie cząste­czkowej, dlatego był nazwany olbrzymiocząsteczkowym. Obecnie jest określany nazwą prekursorowy RNA lub pre-RNA. Pewna część tego pre-RNA ulega przeisto­czeniu w mRNA. Poprzedza go wiele przemian, jak usuwanie zbędnych sekwencji RNA oraz modyfikacje końców 3'- i 5'-. Pre-RNA występuje w nukleoplazmie i jest otoczony białkiem, zwanym informomerem. Zadaniem tych białek jest łączenie się z częścią RNA zawierającą informację genetyczną w celu jej zabezpieczenia podczas transportu. Przechodzący do cytoplazmy mRNA jest bowiem narażony na działanie enzymów nukleolitycznych. W jądrach komórkowych tworzą się kompleksy białek zasadowych informomerowych z nicią mRNA. Noszą one nazwę informosomów. Większa część pre-RNA pozostaje w jądrze, natomiast mniejsza przechodzi do cyto­plazmy w postaci mRNA w kompleksie informosomowym.

Drugi rodzaj RNA jądrowego to metabolicznie stabilny snRNA, o stosunkowo małych cząsteczkach. Zawiera, oprócz typowych zasad azotowych, ich postacie umetylowane. Kwas ten został elektroforetycznie rozdzielony na 12 frakcji, którym przypisuje się funkcje regulatorowe.

Transferowy RNA (tRNA) stanowi 10—12% ogólnej ilości kwasów rybonukleinowych w komórce. Jest on zbudowany z 70-90 nukleotydów. Charakteryzuje się wśród innych rodzajów RNA najmniejszą masą cząsteczkową, zawartą w granicach od 25 do 30 kDa. tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA. Cząsteczki tRNA występują w komór­kach w stanie wolnym bądź też związane ze specyficznym aminokwasem.

Cząsteczka tRNA ma budowę palczastą. Jest ona zwinięta spiralnie, a w pewnych miejscach tworzą się pętle. Ramiona tych pętli są dwuniciowe, skręcone spiralnie. Na tych odcinkach pary zasad mogą łączyć się wiązaniami wodorowymi. Niektóre fragmenty pętli mają jednakowe sekwencje nukleotydowe we wszystkich tRNA. Istnieją odcinki wykazujące znaczne różnice, które decydują o specyficzności tych kwasów. W składzie nukleotydowym tRNA, oprócz zasad typowych, występuje około 10% zasad „rzadkich", do których należą metylowe pochodne zasad typowych, a także pseudourydyna i dihydrourydyna. Zasady rzadkie znajdują się przede wszystkim we fragmentach jednoniciowych.

W cząsteczce tRNA wyróżniono 5 ramion: aminokwasowe, dihydrourydynowe, antykodonowe, dodatkowe oraz ramię 'PFC (pseudourydynowe). Każde z tych ramion pełni inną funkcję

Ramię aminokwasowe służy do przyłączania aminokwasu w postaci reszty aminoacyłowej. Na końcu 3' tego ramienia znajduje się zawsze układ nukleotydów CC A. Na drugim końcu tego ramienia (5') w 80% przypadków znajduje się nukleotyd G, w pozostałych 20% nukleotyd C lub A. Po przyłączeniu reszty aminoacyłowej

 na końcu 3' powstaje układ aminoacylo - tRNA, który można zobrazować schematycznie. 

Jest to postać aktywna transferowego RNA powstała na skutek enzymatycznej estryfikacji końcowej reszty adenylowej specyficznym aminokwasem.

Ramię TFC służy do łączenia się z rybosomem i umocowania tRNA na matrycy. Ramię dihydrourydynowe ma znaczenie rozpoznawcze dla syntezy aminoacylo--tRNA. Ramię antykodonowe ma znaczenie podczas wybierania właściwego miejsca do przyłączenia transportowanego aminokwasu. Na końcu tego ramienia znajduje się antykodon, zawierający 3 nukleotydy o nie sparowanych zasadach, które mogą łączyć się komplementarnie z zasadami kodonu na matrycowym RNA. W ten sposób transferowy RNA znajduje odpowiednie miejsce dla swego aminokwasu.

Większość aminokwasów ma więcej niż jeden kodon. Z tego względu dla każdego z nich istnieje w komórce kilka odmian tRNA, zwanych izoakceptorowymi tRNA. Jeden antykodon w tRNA nie jest w stanie rozpoznać często bardzo różnych kodonów dla tego samego aminokwasu. Istnieje zatem pewna tolerancja w układzie kodon -antykodon. Pierwsza zasada od 5'-końca antykodonu może z pierwszą i drugą zasadą kodonu tworzyć tylko właściwe pary, natomiast z trzecią zasadą kodonu - nawet trzy różne pary. Oddziaływanie tego rodzaju między pierwszą zasadą antykodonu i trzecią kodonu jest znane pod nazwą: zasada tolerancji Cricka.

Ramię dodatkowe jest cechą charakterystyczną każdego tRNA i stanowi podstawę klasyfikacji cząsteczek tRNA.

Matrycowy, czyli informacyjny RNA (mRNA) powstaje w jądrze komórkowym w procesie transkrypcji z DNA. Jest syntetyzowany z trifosforanów nukleozydów. Jego zasady są komplementarne w stosunku do jednej z nici chromosomowego DNA, na której jest wytwarzany. Matrycowy RNA przenosi informację genetyczną z DNA do cytoplazmy. Masa cząsteczkowa mRNA oraz sekwencja nukleotydów zależą do rodzaju białka, które jest w nim zakodowane. Trójki nukleotydów, czyli kodony, rozmieszczone w jego łańcuchu wyznaczają kolejność aminokwasów syntetyzowa­nego białka.

Budowa mRNA pro- i eukariontów wykazuje wyraźne różnice, decydujące o ich różnych właściwościach. Cząsteczka bakteryjnego mRNA może dysponować kodem dla całego zespołu białek. Ten mRNA jest zatem policistronowy. Oprócz kodonów łańcuch mRNA zawiera tzw. trójki nonsensowne, które są znakami przestankowymi, umożliwiającymi syntezę wielu białek. Długość łańcucha mRNA u prokariontów jest zależna od wielkości cząsteczek zakodowanych w nim białek. Końce łańcucha transkrybowanego mRNA są nie zmodyfikowane, a więc nie zablokowane w celu ochrony przed degradacyjnym działaniem nukleaz. Cząsteczki mRNA prokariontów nie występują w połączeniach z białkami.

U eukariontów mRNA jest monocistronowy, a więc zawiera informację tylko dla jednego łańcucha polipeptydowego. Występują w nim przeważnie typowe zasady. Jest on pojedynczym łańcuchem skręconym w postaci spirali, chronionym białkami informomerowymi. W procesie transkrypcji u eukariontów powstaje najpierw pre--mRNA, jako składnik frakcji heterogennego jądrowego hnRNA. Dalszym etapem jest proces modyfikacji, w którym następuje dobieranie i łączenie z sobą fragmentów łańcucha RNA, aby powstał ostatecznie łańcuch zawierający informację o ściśle określonym białku.

Nić hnRNA jest znacznie dłuższa niż dojrzałego.mRNA. Nić ta zawiera regiony kodujące, zwane eksonami, które będą tworzyły dojrzały mRNA. Eksony oddzielają od siebie długie sekwencje, tzw. introny. Jeszcze na terenie jądra komórkowego introny, stanowiące większą część hnRNA, zostają usunięte, natomiast eksony zosta­ją połączone i tworzą mRNA.

Modyfikacji ulegają także końce łańcucha mRNA. Koniec 5' zostaje zablokowa­ny 7-rnetyloguanozyną, natomiast do końca 3' u większości eukarionów zostaje dołączony łańcuch poli(A) zbudowany z kilkudziesięciu nukleotydów adeninowych. Liczba tych nukleotydów wpływa na szybkość degradacji mRNA na skutek działania nukleaz. Modyfikacja końców mRNA, jak również obecność białek informomero-wych mają na celu ochronę informacji o cząsteczce białka zarówno podczas przeby­wania matrycowego RNA w jądrze komórkowym, jak i podczas jego transportu do cytosolu.

Rybosomalny RNA (rRNA) stanowi około 80% ilości kwasów rybonukleino-wych komórki. Jest on podstawowym składnikiem rybosomów (por. rozdz. 2.6.1), gdzie sięga 65% zawartości. Resztę stanowią białka.

Rybosomalny RNA zawiera typowe zasady azotowe z niewielką domieszką ich metylowych pochodnych. Jego masa cząsteczkowa osiąga 2 MDa. Jest pojedyn­czym łańcuchem, bardzo mocno poskręcanym, tworzącym pętle, z fragmentami dwuniciowymi, gdzie występują wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami.

Rybosomalny RNA, podobnie jak inne rodzaje RNA, powstaje w procesie trans­krypcji z DNA. W komórkach prokariotycznych transkrypcja prowadzi do wytwo­rzenia pre-rRNA, który zawiera sekwencje wszystkich rodzajów rybosomalnych RNA. W komórkach eukariotycznych jest wytwarzany pre-rRNA 45S, zawierający sekwencje charakterystyczne dla 18S i 27S rRNA, natomiast oddzielnie jest wytwa­rzany pre-rRNA zawierający w swym składzie sekwencje 5S rRNA.

W rybosomach komórek prokariotycznych występują rRNA: 23S, 5S oraz 16S, gdy tymczasem w komórkach eukariotycznych: 28S; 5,8S; 5S i 18S. Rybosomalnym RNA towarzyszą w rybosomach liczne białka rybosomowe.

Kwasy nukleinowe mają dwie główne funkcje: kierowanie całą syntezę białek i dokładnie przekazywanie informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie.

Białka, zarówno strukturalne, jak i enzymy, nośniki cząsteczek, hormony czy też receptory skalają się z szeregu aminokwasów, istnieje 20 animokwasów, a ich sekwencja określa formę i funkcje powstałego z nich białka. Wszystkie białka są zakodowane w DNA, a jednostkę DNA, która koduje cząsteczkę białka, nazywa się jego genem. Geny różnią się rozmiarami w zależności od swych produktów białkowych.

Każda grupa 3 par zasad DNA, czyli tryplet koduje aminokwas. Ponieważ każda zasada w tryplecie może być którymkolwiek z czterech typów nukleotydów (A, G, C, T) daje to 4³, czyli 64 możliwe kombinacje, tzn. kodony. Kodony dla każdego aminokwasu są wymienione w tab 2.3. należy zaznaczyć, że zwyczajowo każdy kodon jest przedstawiony jako jego mRNA, a więc odpowiadający mu kodon DNA jest w rzeczywistości komplementarny.

Wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem metioniny i tryptofanu są kodowane przez więcej niż jeden kodon dlatego mówi się, że kod jest zdegenerowany. Trzy z 64 kodonów oznaczają zakończenie zapisu i nazywane są kodonami terminacyjnymi (UAA, UGA, UAG), jeden kodon, AUC (metionina), działa jako sygnał startowy dla syntezy białka. Kod taki jest z kilkoma możliwymi wyjątkami identyczny we wszystkich gatunkach.

Pierwszym stadium syntezy białek jest transkrypcja. Dwie nici DNA rozdzielają się w okolicy genu do transkrypcji. Jeden łańcuch działa jako matryca i RNA matrycowy (mRNA) powstaje jako sekwencja komplementarna pod wpływem enzymu polimerazy RNA. Transkrypcja powstaje w kierunku 5' do 3' aż do kodonu terminacyjnego. Po pewnej obróbce i modyfikacji cząsteczka mRNA przenika do cytoplazmy, a łańcuchy DNA łączą się na nowo.

Następne stadium syntezy białka zachodzi w cytoplazmie i nazywa się translacją. Każda cząsteczka mRNA łączy się z jednym lub więcej rybosomów. Każdy rybosom przesuwa się wzdłuż mRNA od końca 5' do 3' , każdy kodon jest rozpoznawany przez odpowiedni RNA transportujący (tRNA), który układa aminokwas na końcu nowo powstałego łańcucha białkowego.

Średniej wielkości białko zawiera około 300 aminokwasów; 900 par zasad może je kodować. Jednakże geny ludzkie są zazwyczaj większe, niż się tego oczekuje

---