Etapy ekspresji genu: a)transkrypcja, b) translacja. Transkrypcja- przepisywanie informacji genetycznej z makrocząsteczek DNA na mniejsze bardziej funkcjonalne cząsteczki pre-mRNA. Etapy transkrypcji: a) inicjacja, b) elongacja, c) terminacja. Inicjacja złożony proces enzymatycznej syntezy pierwszego wiązania fosfodiestrowego przyszłego łańcucha polirybonukleodytowego. Łączenie się czynników transkrypcji z polimerazą RNA: - oddziaływanie bezpośrednie; - oddziaływanie za pośrednictwem mediatora; - oddziaływanie poprzez zagięcie DNA. Transkrypcja składa się z dwóch elementów: inicjacja transkrypcji; synteza pierwszego transkryptu. Elongacja- uporządkowana dobudowa reszt nukleotydowych do zapoczątkowanego już łańcucha polirybonukleotydowego(wzdłuż kierun. w kier. 5' do 3'). Przyłączenie kolejnych nukleotydów katalizuje polimeraza DNA. Terminacja- kontrolowane przerwanie transkrypcji połączone z uwolnieniem procesu syntezy i polimerazy RNA. W ten sposób powstaje pre-mRNA. Dojrzewanie mRNA składa się z 2 etapów:- składanie polega na wymianie z transkryptu intronów a elementy łączone są w jedną całość. Powstaje już mRNA. - redagowanie( edytowanie) polega na wstawieniu określonych nukleotydów w ściśle określone miejsca. Otrzymujemy dojrzałe mRNA. To dzieje się na terenie jądra komórkowego. Po dojrzewaniu mRNA opuszcza jądro i wędtuje do miejsca synteza białka→rybosomy. Translacja- to tłumaczenie języka nukleotydów w RNA na aminokwasy budujące białko. Proces odbywa się w rybosomach. Zaczyna się od kodonu startowego AUG a kończy się zawsze na kodonie terminacyjnym. Kodonem inicjacyjnym jest metionina AUG która znajduje się w mRNA. Odpowiednia cząsteczka tRNA musi rozpoznać kodon AUG. Posiadają ją antykodony AUG- antykodon UAC. Ramka odczytu- dwa kodony znajdujące się we fragmencie rybosomy. Proces syntezy białka kończy się gdy ramka odczytu znajduje się na kodonie terminacyjnym. Regulacja ekspresji genu u prokariota: OPERON- zgrupowane w jednym chromosomie geny struktury kodujące enzymy jednego szlaku metabolicznego. Występują pod jednym silnym promotorem. Regulacja ekspresji genu u eukariota: REGULON- zespół genów rozmieszczonych w różnych miejscach chromosomu których ekspresja podlega jednemu systemowi regulacyjnemu. Aktywność genów rozpoczyna się w tym samym momencie. Operon laktozowy: przetwarzanie laktozy w cukry proste. Jeżeli w otoczeniu bakterii jest laktoza to włącza się operon laktozy aby przekształcić laktozę na cukry proste. Budowa: a) geny struktury;- β galaktozydowa; - permaza β galaktozydowa; - acetylaza β galaktozydowa; b) promotor(1 dla 3 genów); c) operator pozwala na transkrypcję genów struktury bądź hamuje ją. Zależy to od tego czy jest aktywny; - gen regulatorowy- koduje koduje białko represora→ łączy się z operatorem blokuje proces transkrypcji genów struktury. Gdy w środowisku pojawi się laktoza represor wychwytuje te cząsteczki(łączy się z nimi) i traci powinowactwo do operatora(jest nieaktywny). Operator nie może blokować transkrypcji genów struktury. Operon tryptofanowy: - 5 genów struktury; - operator;- promotor;- gen regulatorowy. Gdy występuje deficyt tryptofanu włącza się proces produkcji. Represor nieaktywny nie łączy się z tryptofanem. Gdy jest zbyt dużo tryptofanu białko receptora łączy się z cząsteczką tryptofanu i staje się aktywny. Blokuje operatora. Regulacja ekspresji genów ze względu na struktury chromatyny: chromatyna: 1)euchromatyna- luźna postać chromatyny jest aktywna genetycznie występują w niej 2 domeny: strukturalna i funkcjonalna. 2)heterochromatyna- zbita postać chromatyny a) konstytutywna- nie przechodzi w euchromatynę występuje stale w komórce w jej skład wchodzi DNA nie zawierający żadnych genów; b) fakultatywna- postać chromatyny pojawiająca się okresowo zawiera geny nieaktywne w pewnych komórkach na niektórych etapach cyklu komórkowego. Procesy uniemożliwiające powstawanie nukleosomu: - acetylacja histonów- przyłączanie grupy acetylowej do reszt lizenowych w N- końcowym. Rekombinacja- jest jednym z dwóch podstawowych źródeł zmienności genetycznej i polega na tworzeniu nowych układów genów a w efekcie nowych zestawień cech genotypowych. Warunkiem zachodzenia rekombinacji jest rozmienność płciowa podczas którego zasoby informacji genetycznej dwóch różnych organizmów łączą się a następnie są rozdzielone podczas mejozy. Rekombinacja genów niezależnych: zachodzi poprzez losowe zestawienie chromosomów homologicznych w gamecie. Rekombinacja genów sprzężonych- zachodzi poprzez wymianę fragmentów chromatyd pomiędzy koniugującymi chromosomami homologicznymi(crossing over)- częstość zachodzenia c/o jest wprost proporcjonalna do odległości w jakiej geny te występują w chromosomie. Rekombinacja wewnątrz genowa- poprzez pęknięcia nici DNA oraz wymianę odcinków wchodzących poprzednio w skład odrębnych genów. Koniugacja- czasowe połączenie komórek bakteryjnych z możliwością częściowej wymiany fragmentów DNA. Transformacja- przenoszenie fragmentów pomiędzy dwiema komórkami bakterii przez bakteriofaga. Transfekcja- przekazywanie plazmidów pomiędzy komórkami bakteryjnymi. Mutacje genowe- zmiany w pierwszorzędowej budowie DNA prowadzące do powstawania nowych alleli genów. Allele powstające w skutek mutacji są z reguły w stosunku wyjściowym recesywne i zwykle szkodliwe. Przyczyny mutacji: błędy w replikacji DNA(mutacje spontaniczne); działanie czynników mutagennych chemicznych fizycznych lub środowiskowych(mutacje indukowane). Częstość powstawania mutacji można zwiększyć działając na komórki lub całe organizmy zewnętrznymi czynnikami wywołującymi uszkodzenia DNA( czynniki mutagenne lub genotoksyczne). Rodzaje zmian w DNA: - substytucja- zmiany jednej z zasad nici DNA na inną . tranzycja- zmiana zasady purynowej na inną purynową lub piramidowej na inna piramidową; - delecja- wypadnięcie nukleotydu z nici DNA; - inercja- wstawienie dodatkowego nukleotydu do nici DNA. Efekty substytucji:- mutacje milczące- bez efektów genotypowych; - mutacja zmieniająca znaczenie kodonu- w miejsce dotychczasowego aminokwasu wstawiony zostanie inny aminokwas; - mutacja nonsensowna- w miejsce kodonu kodującego aminokwas występuje jeden z kodonów nonsens przerywających syntezę białka. Wszystkie zmiany struktury w DNA powstające podczas replikacji stanowią jedynie zmiany permutacyjne które jeżeli nie zostaną usunięte przez procesy naprawcze mogą doprowadzić do mutacji po następnych cyklach replikacyjnych- mutacje spontaniczne. W organizmach eukariotycznych występują setki genów wyspecjalizowanych w naprawie DNA. Mutacje w obrębie tych genów określane są jako mutacje mutatorowe. Geny supresonowe jak np. p-53 pełnią rolę kontrolerów uszkodzeń DNA. Poziom białka kodowanego przez ten gen wzrasta po wystąpieniu uszkodzenia w DNA. Kom. kierowana jest na szlak naprawczy a w przypadku nieskuteczności naprawy nie może wejść w fazę S i podlega apoptozie. Mutacje w obrębie tego genu stwierdza się w ok. 40% komórek guzów nowotworowych. Systemy wpływu na wzajemne położenie nukleosomów i struktury chromatyny: 1) acetylacja histonów- przyłączanie grupy acetylowej do reszt lizenowych w N-końcowym fragmencie każdego histonu rdzeniowego co powoduje zmniejszenie powinowactwa histonów do DNA i osłabia oddziaływania pomiędzy samymi histonami: acetylotransferaza, deacetylotransferaza; 2) remodelowanie chromatyny- działają tu kompleksy CRM które podobnie jak enzymy acetylujące powodują niewielkie zmiany w strukturze nukleosomów co umożliwia ich przemieszczanie. Aberracje chromosomowe: 1) delecja- ubytek fragmentu chromosomu; - deficjencja- nabytek końcowego odcinka chromosomu. 2) duplikacja- podwojenie pewnego fragmentu chromosomu , powtórzenie pewnego fragmentu chromosomu w skutek przyłączenie oderwanego w wyniku delecji fragmentu homologicznego chromosomu. 3) translokacja- przyłączenie jakiegoś fragmentu chromosomu do chromosomu niehomologicznego: - wzajemna A-B, B-A; - niewzajemna- fragmenty przyłacza się do B ale B nie oddaje mu swojego. 4) inwersja- chromosom pęka w dwóch miejscach, odcinek środkowy obraca się o 180º i ponownie zostaje przyłączony do tego chromosomu. Zmienia się kolejność występowania genów w chromosomie. Autopoliploidy- te euploidy u których nastąpiło zwielokrotnienie podstawowej liczby chromosomów pochodzących z tego samego gatunku. Allopoliploidy- euploidy u których w komórkach somatycznych liczba chromosomów stanowi pełną wielokrotność podstawowej liczby chromosomów ale występują tu genomy różnych gatunków. Przyczyną zwiększania liczby chromosomów jest: zaburzenia w tworzeniu wrzeciona kariokinetycznego wywołane czynnikami spontanicznymi i celowymi. Aneuploidy- organizmy u których w komórkach somatycznych została zmieniona liczba chromosomów o pojedyncze sztuki (dodawanie lub odejmowanie chromosomów) inaczej nazywane somikami. Haploidy- organizmy o gametycznej liczbie chromosomów w komórkach somatycznych. Dzielą się na euhaploidy i aneuhaploidy. Euhaploidy- mają zredukowaną do połowy liczbę chromosomów w komórkach somatycznychorganizmu euploidalnego. Dzieli się na monoploidy i poliploidy. Monoploidy- haploidy powstałe z organizmu dihaploidalnego zawierają pojedynczy genom każdy gen jest reprezentowany przez jeden allel, są całkowicie sterylne nie zachodzi tu koniugacja chromoso. Homolog. Poliploidy- organizmy haploidalne uzyskane z poliploidów- takie które powstały z organizmów o nieparzystej liczbie genomów; - takie które powstały z org. o parzystej liczbie genomów. Aneuhaploidy- grupa organizmów o zredukowanej liczbie chromosomów czasami 1 jest więcej lub jeden mniej. Uszkodzenia DNA- każda modyfikacja zmieniająca właściwości kodujące DNA lub jego funkcje w procesach replikacji lub transkrypcji. Uszkodzenia i ich naprawa odgrywają ważną rolę w takich procesach jak: wierność replikacji DNA, wierność transkrypcji, mutageneza, powstawanie nowotworów, starzenie się organizmów, powstawanie szeregu chorób genetycznych. Uszkodzenia DNA można podzielić na: 1)spontaniczne a) dezaminacja cytozyny i adeniny; b) metyzacja adeniny; c) powstawanie AP- powstają na skutek spontanicznej hydrolizy wiązania glikozydowego DNA co prowadzi do usunięcia zasady bez przerywania wiązania fosfodiestrowego. 2) uszkodzenia spowodowane działaniem czynników zewnętrznych: a)promieniowanie ultrafioletowe; b) promieniowanie jonizujące; c) czynniki chemiczne: związki niealkilujące, związki alkilujące, analogi strukturalne zasad, barwniki akrydynowe. Fotouszkodzenia- wywołane promieniami UV 90% tych uszkodzeń to fotodimery a najczęściej spotykana wśród nich to 6,4dipirymidyna. Fotoreaktywacja- proces enzymatyczny w którym enzym poliaza specyficznie reaguje z jedno lub dwuniciowym fragmentem DNA zawierającym fotodimery pirymidyn. Pod wpływem światła o długości fali 310-480nm następuje enzymatyczne rozszczepienie fotodimerów do monomerów i przywrócenie DNA do stanu pierwotnego. Uszkodzenia radiacyjne- wywołane promieniowaniem jonizującym: glikol tyminy- reakcja tyminy z rodnikiem OH w wyniku czego następuje nasycenie wiązania 5,6pierść.pirymidynowego; otwarcie i fragmentacja pierść.pirymid. co prowadzi do powstawania mocznika i jego pochodnych; otwarcie pierść.imidazolowego jedno i dwu niciowe DNA. Dziedziczenie pozajądrowe: przekazywanie informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie uwarunkowane przez materiał genetyczny zlokalizowany poza chromosomami. Genom- informacja genetyczna zawarta w DNA jądrowym jako haploidalny zestaw chromosomówwraz z zawartymi w nich genami. Plazmon- kompleks czynników dziedzicznych znajdujących się poza jądrem w cytoplazmie. Wszystkie mtDNA zawierają: geny kodujące po jednej kopii rybosomalnego RNA, kompleks tRNA, kilka polipeptydów z których większość stanowią silnie hydrofobowe podjednostki enzymów łańcucha oddechowego. Współdziałanie genów- występowanie niektórych cech jest zależne od obecności w genotypie co najmniej dwóch genów należących do różnych par alleli. Komplementacja- uzupełnianie się efektów działania dwóch lub większej liczby genów nieallelicznych przy warunkowaniu pojedynczej cechy fenotypowej. Współdziałanie kompromisowe- różni się od komplementacyjnego tym że przy takim rodzaju współdziałania każdy z genów współdziałających na własny samodzielny efekt fenotypowy tzn. warunkuje jakiś wariant danej cechy a jeżeli w tym samym genotypie spotykają się oba geny współdziałające to ich łączne działanie wywoła inny wariant cechy. Współdziałanie epistatyczne- występuje wyraźna nadrzędność jednego genu nad genami należącymi do drugiej pary. Współdziałanie to polega na tym że gen epistatyczny hamuje działanie obu genów hypostatycznych lub narzuca własny efekt fenotypowy. Współdziałanie kompensacyjne- geny należące do różnych par alleli mogą również znosić wzajemnie własne efekty fenotypowe jeżeli występują w jednym genotypie. Współdziałanie monarchiczne- niektóre cechy fenotypowe warunkowane są przez kilka genów należących do różnych par alleli w ten sposób że obecność w genotypie któregokolwiek z tych genów wywołuje daną cechę a przy większej ich liczbie nie następują już żadne zmiany w wykształceniu danej cechy. Jeżeli nie jest obecny żaden z tych genów to warunkowana przez nie cecha przybiera inną postać. Współdziałanie kumulatywne- polega na działaniu kilku a nawet kilkunastu genów należących do różnych par alleli jednakże obecność w genotypie każdego kolejnego genu powoduje nasilenie danej cechy. Geny letalne- to geny które występując w stanie homozygotycznym powodują śmierć organizmu we wczesnych stadiach rozwojowych. Efekt letalny występuje więc u tych organizmów które od obojga rodziców otrzymały ten sam uszkodzony gen.