28-10-2007

WYKŁAD BIOLOGIA Z GENETYKĄ

Chromatyna utworzona jest z DNA, białek histonowych oraz niewielkiej ilości DNA. W budowie chromatyny bierze udział pięć różnych histonów oznaczonych symbolami H1, H2A, H2B, H3, H4. Po dwie cząsteczki histonów H2A, H2B, H3, H4 układają się w oktamer histonów owinięty odcinkami cząsteczki DNA. Jest to nukleosom będący podstawową jednostką budowy chromatyny. Szereg nukleosomów połączonych razem jedną cząsteczką DNA tworzy nukleofilament.

Budowa chromosomu metafazowego

Chromosomy to pałeczkowate struktury zbudowane z białek i DNA. Najbardziej zespiralizowane i dzięki temu najlepiej widoczne chromosomy można zaobserwować w metafazie podziału mitotycznego. Każdy chromosom składa się z dwóch chromatyd połączonych przez centromer. Na centromerze znajduje się kinetochor, do którego przyczepiają się włókna wrzeciona kariokinetycznego podczas podziału komórki. Każda chromatyda zawiera jedną długą cząsteczkę DNA nawiniętą na nukleosom. Na obu końcach każdej chromatydy znajdują się telomery.

Rodzaje chromosomów metafazowych

akrocentryczny - centromeru znajduje się niedaleko końca ramion chromosomu (dwa ramiona krótsze i dwa ramiona dłuższe)

submetacentryczny - centromeru położony jest między środkiem a końcem ramienia

metacentryczny - centromeru znajduje się niedaleko środka chromosomu

Kariotyp to uszeregowany przegląd chromosomów wg ich długości i pozycji względem centromeru, 46 chromosomów tworzy 23 pary, 44 to autosomy a 2 to chromosomy płci XX lub XY. Chromosomy człowieka uporządkowane są w 7 grup + chromosomy płciowe X i Y. Telomery zawierają tysiące powtórzeń sześciozasadowej sekwencji DNA niekodującej żadnego znanego białka.

RNA

Podstawową jednostką jest nukleotyd, który składa się z cukru pięciowęglowego (pentozy - rybozy), zasady azotowej (pochodnej puryny lub pirymidyny) i kwasu ortofosforowego. W skład RNA wchodzą następujące nukleotydy: adeninowy, guaninowy, cytozynowy, uracylowy.

Kwas RNA występuje w trzech odmianach:

informacyjny lub matrycowy RNA = mRNA

transportujący lub przenośnikowy RNA = tRNA

rybosomalny RNA = rRNA

Proces transkrypcji

Jednocześnie z rozplataniem helisy DNA następuje kopiowanie wolnej nici (prawa strona). Zasady przyłączanych trifosforanów nukleozydów tworzą pary komplementarne z zasadami matrycowej nici DNA. Polimeraza RNA odcina od każdego trifosforanu nukleozydu dwie grupy fosforanowe, a pozostałą grupę fosforanową łączy z końcem 3' wydłużającej się nici RNA. RNA podobnie jak DNA syntetyzowany jest w kierunku 5'- 3'.

Transkrypcja- kopiowanie kodu genetycznego zawartego w jądrze komórki DNA na pojedynczą nić informacyjnego RNA.

Translacja- proces, w którym powstały w wyniku transkrypcji informacyjny RNA opuszcza jądro i przyłącza się do rybosomów w cytoplazmie, gdzie stanowi matrycę, na której aminokwasy łączą się tworząc łańcuch białka.

Biosynteza białek

Synteza białka przebiega etapami:

• W pierwszej kolejności cząsteczka DNA uległa miejscowemu rozluźnieniu i rozpleceniu, a następnie odbywa się synteza RNA, z wykorzystaniem jednej nici DNA jako matrycy i za każdym razem tej samej.

• Synteza RNA zachodząca na określonym odcinku cząsteczki DNA nazywa się transkrypcją

• Cząsteczka mRNA powstaje dzięki tworzeniu komplementarnych par zasad z transkrybowaną nicią DNA

• Zsyntetyzowany RNA transportowany jest do cytoplazmy, gdzie mRNA stanowi matrycę dla odbywającej się w rybosomie syntezy białka.

W procesie biosyntezy białka wyróżniamy trzy etapy:

• Inicjacja- przyłączenie metionylo - tRNA do małej podjednostki rybosomu + dołączenie dużej podjednostki rybosomu.

• Elongacja- wydłużenie łańcucha polipeptydowego przez dołączenie aminokwasów.

• Terminacja- proces elongacji ulega zakończeniu, czyli terminacji, kiedy odczytywanie kodu natrafi na kodon nonsensownym, tzn. taki który nie koduje żadnego aminokwasu.

Synteza RNA i białka

Synteza białka zostaje przerwana, gdy rybosomu natrafi na jedną z trójek nonsensownych (UAA, UAG lub UGA). Wówczas mRNA odłącza się od małej podjednostki, a łańcuch polipeptydowy zostaje odłączony od tRNA i dużej podjednostki rybosomu.

Tworzenie aminoacylo - tRNA przy udziale enzymów

Kodony w mRNA nie rozpoznają bezpośrednio aminokwasów. Translacja (przetłumaczenie) mRNA na język aminokwasów
(w białko) wymaga cząsteczki adapterowej, która może rozpoznawać zarówno aminokwas jak i kodony. Adapterami są cząsteczki tRNA. Na jednym końcu tRNA występuje trójka zasad (antykodon), która rozpoznaje komplementarną trójkę (kodon) w mRNA a na drugim końcu tRNA dołączony jest specyficzny dla antykodonu aminokwas.

Kod genetyczny

Zawiera informację o zasadzie kodowania sekwencji nukleotydów kwasu DNA (lub RNA) w komórkach wszystkich organizmów. Sekwencja czterech zasad: adeniny, cytozyny, guaniny i tyminy na nici DNA stanowi kod zapisujący strukturę białek i enzymów, które budują cytoplazmę komórek organizmu i kierują jego funkcjonowaniem.

Trójki (triplety) tych zasad kodują dwadzieścia różnych aminokwasów

4³=64 kombinacje niektóre aminokwasy kodowane są przez więcej niż jedną trójkę aminokwasów.

Cechy kodu genetycznego

• Trójkowy- trójka zasad (triplet, inaczej kodon) koduje jeden określony aminokwas

• Jednoznaczny- danej trójce zasad (nukleotydów) odpowiada zawsze ten sam aminokwas

• Zdegenerowany- dany aminokwas może być kodowany przez kilka trójek

• Niezachodzący- trójki odczytywane są kolejno, bez możliwości odczytania trójki na przykład jako jednej zasady z jednej trójki i dwóch z drugiej

• Bezprzestankowy- rozpoczęte odczytywanie przebiega bez przerw

• Uniwersalny- te same zasady obowiązują w świecie roślinnym i zwierzęcym

• Trzem kodonom (UAA, UAG i UGA)- nie odpowiadają żadne aminokwasy. Kodony - STOP.

Białka

W czasie syntezy białka w rybosomie powstaje łańcuch utworzony z aminokwasów ułożonych w określonej kolejności (sekwencji). Jest to struktura I-rzędowa białka. Wynika ona z kodu genetycznego, który zakłada, że kolejność trzech nukleotydów w kwasie DNA oznacza jeden aminokwas, oraz determinuje strukturę przestrzenną cząsteczki białka, czyli samoistne układanie się łańcucha utworzonego z aminokwasów w ściśle określony sposób. Aminokwasy są podstawowymi składnikami białek. W białkach występuje 20 aminokwasów.

Przyjęto umownie, że:

• Łańcuchy zawierające od 2 do 10 aminokwasów w cząsteczce to oligopeptydy

• Od 11 do 100 - polipeptydy

• Powyżej 100 aminokwasów - białka zwane również makropeptydami.

Struktura białek

• Struktura drugorzędowa białka (α lub β) jest to zwinięcie struktury pierwszorzędowej w trójwymiarową helisę (umożliwia to istnienie wiązań wodorowych).

• Trójwymiarowa, trzeciorzędowa struktura białka jest to dalsze zwijanie się i fałdowanie helisy w przestrzeni (umożliwia to istnienie tzw. mostków siarkowych).

• 
  Czwartorzędowa struktura białka to jest sposób połączenia się struktur trzeciorzędowych w większą całość (np. hemoglobina).

Struktura I- rzędowa Struktura II- rzędowa

aminokwasy aminokwasy połączone

wiązaniem wodorowym

Struktura III- rzędowa Struktura IV- rzędowa

Białka złożone z więcej niż

jednego łańcucha aminokwasów

Podział białek

Ze względu na budowę:

• proste (złożone z aminokwasów)

• złożone (proteina i część niebiałkowa)

• metaloproteiny (grupa niebiałkowa jest metalem, np. miedź)

• chemoproteiny (grupa niebiałkowa jest barwnikiem, np. hem w hemoglobinie)

• nukleoproteidy (grupa niebiałkowa stanowi kwas nukleinowy, np. chromatyna)

• glikoproteiny (grupa niebiałkowa jest oligosacharydem, np. niektóre hormony)

Ze względu na kształt cząsteczki:

• białka fibrylarne - białka nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Mają strukturę włókienkową, np. kolagen, keratyna (składnik naskórka i jego wytworów takich jak: włosów, paznokci, piór…), fibroina (tworzy nici oprzędu owadów - w tym jedwabiu), fibryna, czyli włóknik (powstaje w procesie krzepnięcia krwi).

• białka globularne - białka rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Mają kształt nieregularny, ale zbliżony do kuli, np. enzymy, histony (składnik chromatyny), białka strukturalne błon biologicznych , białka surowicy krwi: albuminy (biorą udział w przenoszeniu biologicznie czynnych związków, jak hormony, witaminy) i globuliny (alfa i beta- globuliny odgrywają rolę w transporcie lipidów roznoszonych przez krew, a gamma- globuliny stanowią przeciwciała, czyli białka odpornościowe, biorące udział w mechanizmach obronnych ustroju).

Funkcje białek

Białka są podstawowym budulcem struktur komórkowych. Znajdują się w płynach ustrojowych (białka odpornościowe), umożliwiają zachodzenie procesów chemicznych (enzymy), zmianę energii chemicznej na mechaniczną (w mięśniach), uczestniczą w funkcji jądra komórkowego i działaniu narządów wewnętrznych (hormony).

Komunikacja międzykomórkowa - odbiór i przekazywanie sygnałów z udziałem receptorów

Poszczególne komórki podobnie jak organizmy wielokomórkowe, muszą odbierać sygnały z otoczenia i na nie odpowiadać.
W organizmie wielokomórkowym komórki muszą interpretować mnóstwo sygnałów docierających do nich z innych komórek.

Cząsteczkami zewnątrzkomórkowymi służącymi do przesyłania sygnałów między komórkami są: białka, peptydy, aminokwasy, nukleotydy, steroidy, pochodne kwasów tłuszczowych.

Ogólne zasady komunikacji międzykomórkowej

Informacja może mieć różną postać, a komunikacja polega na przekształceniu formy docierających sygnałów na sygnał „zrozumiały” przez komórkę. Komórka sygnalizująca wytwarza szczególny typ cząsteczki - cząsteczkę sygnałową (•), która jest wykrywana przez komórkę docelową. Komórka docelowa dysponuje białkiem receptorowym (Y), które rozpoznaje cząsteczkę sygnałową i na nią swoiście reaguje.

Przekształcenie sygnału to proces polegający na zmianie postaci sygnału

Proces takiej przemiany nosi nazwę przekształcenia sygnałów.

Słuchawka telefoniczna przekształca Komórka docelowa przekształca sygnał zewnątrzkomórkowy

sygnał elektroniczny w sygnał dźwiękowy (cząsteczka A) w sygnał wewnątrzkomórkowy (cząsteczka B)

Sposoby komunikowania się komórek zwierzęcych

• ENDOKRYNOWA - hormony wytworzone w gruczołach dokrewnych są uwalniane do krwiobiegu i rozprowadzane
  w obrębie całego ciała.

• PARAKRYNOWA - sygnały parakrynowe są uwalniane przez komórki do płynu zewnątrzkomórkowego w ich sąsiedztwie
  i działają miejscowo.

• NEURONALNA - sygnały neuronalne są przekazywane wzdłuż aksonów do oddalonych komórek. Neuroprzekaźnik- jest to związek chemiczny uwalniany z pęcherzyków synaptycznych synapsy. Reagując ze swoistym receptorem doprowadza do zmiany potencjału elektrycznego błony postsynaptycznej.

• KONTAKT BEZPOŚREDNI - sygnalizacja oparta na kontakcie bezpośrednim wymaga, aby komórki kontaktowały się bezpośrednio ze sobą błonami komórkowymi.

Sygnały mogą być przekazywane na duża i małą odległość

• Sygnalizacja endokrynowa rozsyłanie sygnału po całym ciele przez wydzielanie go do krwiobiegu (u zwierząt) lub soku
  (u roślin). Cząsteczkami sygnałowymi są hormony, wytwarzane przez komórki endokrynowe.

• Sygnalizacja parakrynowa cząsteczki nie są uwalniane do krwi, ale dyfundują lokalnie w środowisku zewnątrzkomórkowym nie oddalając się od komórki.

• Sygnalizacja neuronalna neurony mogą przesyłać wiadomość na duże odległości (przesyłana szybko i swoiście „prywatnymi liniami”).

• 
  Kontakt bezpośredni komórek nie wymaga uwalniania cząsteczek z komórki, ponieważ kontaktują się one bezpośrednio przez cząsteczki sygnałowe znajdujące się w błonach komórkowych.

Cykl komórkowy

Życie komórek można podzielić na wiele powtarzających się okresów, w których zachodzą przemiany metaboliczne. Każdy okres to jeden cykl komórkowy (cykl życiowy), który obejmuje fazę G1, S, G2 i M. Okres czasu między podziałami komórki nazwano interfazą (obejmuje fazy G1, S, G2).

Czas trwania cyklu komórkowego

Średni czas trwania cyklu w komórkach prawidłowych wynosi około 24. Czas trwania cyklu w komórkach nowotworowych wynosi 20-80 godzin.

M - 1-2 godz.

G1 - 23 (3-180) godz.

S - 17(10-130) godz.

G2 - 6(3-184) godz.

RODZAJE ŚMIERCI KOMÓRKOWYCH

Podział morfologiczny

• Apoptoza aktywny rodzaj śmierci

Śmierć samobójcza komórki spowodowana brakiem sygnałów zewnątrzkomórkowych (np. hormonów, czynników wzrostu) lub sygnały wewnątrzkomórkowe (poważne uszkodzenia DNA). W procesie apoptozy biorą udział enzymy zwane kaspazami.

• Nekroza bierny proces metaboliczny

Obumarcie komórek żywego organizmu, spowodowane różnymi czynnikami zewnętrznymi lub wewnętrznymi, jeśli ich natężenie i czas działania przekracza granice odporności tkanki (np. oparzenia lub odmrożenia 3º, działanie toksyn bakteryjnych, duże dawki promieniowania, niedokrwienie).

Apoptoza - pierwszy opis przedstawił patolog John Kerr w 1972r.

Nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego opadanie płatków z kwiatów, lub liści z drzew.

Apoptoza jest mechanizmem kontrolnym, zabezpieczającym organizm przed pojawieniem się niebezpiecznych klonów komórkowych, np. komórek nowotworowych. Jest to zaprogramowana śmierć komórki - dzięki temu mechanizmowi usuwane są zużyte i uszkodzone komórki.

Komórki ulegające apoptozie w dojrzałym organizmie

Komórki co jakiś czas ulegające apoptozie znajdują się we wszystkich tkankach. Zwykle popełniają samobójstwo dla dobra całego organizmu. Tylko niektóre przykłady:

Oko - soczewki oka, które formują się podczas rozwoju zarodkowego, zbudowane są z komórek apoptycznych. Cytoplazma takich komórek została zastąpiona bezbarwnym białkiem zwanym krystaliną.

Jelito - komórki tworzące wypustki w ścianie jelita powstają u nasady kosmka i w ciągu kilku dni migrują w kierunku jego czubka. Tam umierają i zostają złuszczone.

Skóra - komórki skóry rozpoczynają swe życie w najgłębszych warstwach skóry, a następnie przesuwają się w kierunku powierzchni, ulegając po drodze apoptozie. Martwe komórki tworzą zewnętrzną warstwę ochronną skóry - naskórek.

Grasica - limfocyt T - białe krwinki będące krytycznym elementem układu odpornościowego - dojrzewają w grasicy. Te
z nich, które nie potrafią skutecznie rozpoznawać obcych antygenów lub atakują własne tkanki, popełniają samobójstwo przed dostaniem się do krwiobiegu.

Macica - komórki ściany macicy umierają i złuszczając się podczas menstruacji, giną skutkiem apoptozy.

Inne - komórki zainfekowane wirusem lub zbyt poważnie uszkodzone w wyniku mutacji w genomie często popełniają samobójstwo. Niezdolność do apoptozy genetycznie zmienianych komórek jest często przyczyną.

Czynnikami powodującymi apoptozę mogą być:

• bodźce fizjologiczne - np. niedobory hormonów, czynników wzrostu

• uszkodzenia DNA

• pobudzenie niektórych receptorów błonowych albo wewnątrzkomórkowych

• atak limfocytów T - komórek układu odpornościowego, które są odpowiedzialne za niszczenie chorych albo uszkodzonych komórek somatycznych.

• 
  oddziaływania międzykomórkowe - na skutek przekazywania błędnych informacji o podziałach komórkowych.

Mitoza proces podziału komórki, któremu towarzyszy rozdzielenie chromosomów do dwóch komórek potomnych. Po podziale komórki dysponują materiałem genetycznie identycznym z komórką rodzicielską. Charakterystyczne etapy:

• Interfaza- synteza białek RNA i DNA.

• Telofaza- powstanie błony jądrowej wokół chromosomów.

• Anafaza- rozdzielenie chromatyd siostrzanych, wędrują do przeciwległych biegunów.

• Metafaza- rozpad błony jądrowej, wrzeciono + centromer, utworzenie płytki metafazowej.

• Profaza- kondensacja chromatyny, chromosomy uwidocznione, struktura chromosomu, chromatydy ulegają pogrubieniu (widać centromer), formuje się wrzeciono podziałowe, zanik jąderka.

Mejoza podział redukcyjny jądra komórkowego zachodzący w procesie powstawania komórek rozrodczych (gamety, mejospory), prowadzący do redukcji liczby chromosomów do połowy, co umożliwia odtworzenie pierwotnej liczby chromosomów w zygocie.

Crossing-over i genetyczna rekombinacja

Crossing-over polega na wycięciu odpowiadających sobie odcinków DNA, a następnie ich wymianie pomiędzy homologicznymi chromosomami, co umożliwia rekombinację genów. Rekombinacja to proces w wyniku, którego powstają nowe kombinacje genów. Im dalej od siebie w chromosomie znajdują się dwa geny, tym większe jest prawdopodobieństwo, że nastąpi ich rozdzielenie na skutek wymiany fragmentów chromatyd. Podczas jednego podziału mejotycznego może nastąpić wiele wymian w różnych miejscach.

Różnice między mitozą i mejozą

Mitoza	Mejoza
Zachodzi w komórkach somatycznych	Zachodzi w organach płciowych poprzedzając powstanie gamet
Chromosomy homologiczne nie tworzą par	Chromosomy homologiczne tworzą pary, a następnie oddzielają się od siebie
Nie tworzą się chiazmy	Tworzą się chiazmy, co związane jest ze zjawiskiem crossing-over i rekombinacją cech
Jeden podział materiału genetycznego - tylko oddzielenie się chromatyd	Dwa podziały materiału genetycznego -separacja chromosomów homologicznych (I podział) i chromatyd (II podział)
Powstają 2 komórki potomne	Powstają 4 komórki potomne
Jądra potomne są identyczne z jądrem macierzystym	Jądra potomne różnią się od jąder macierzystych
Jądra potomne diploidalne	Jądra potomne haploidalne

---