BIOLOGIA - wykłady

Cykl życiowy komórki.

W cyklu komórki są potrzebne dwa rodzaje aktywności:

• Wytworzenie nowych składników rosnącej komórki

• Właściwe rozmieszczenie i rozdzielenie tych składników do komórki potomnych w trakcie podziału komórki.

Pojedynczy cykl komórki można podzielić na kilka głównych faz, które reguluje tykający zegar biologiczny.

• Faza G1 - wysoka aktywność metaboliczna, wzrost komórki - komórka wykonuje zadania, do których została powołana i przygotowuje się do skopiowania swojego materiału genetycznego, czyli replikacja DNA.

• Faza S (synteza) - replikacja DNA, następuje podwojenie ilości DNA w komórce.

• Faza G2 - końcowe przygotowania do podziału, związane ze wzmożoną syntezą białek, np. tubuliny wchodzącej w skład wrzeciona podziałowego. Faza G2 kończy interfazę, komórka jest gotowa do podziału (mitozy)

• Faza M - mitoza i cytokineza - podział w którym powstają dwie komórki potomne o tej samej liczbie chromosomów

Obie komórki powstające podczas mitozy wchodzą w fazę G1 i cykl komórkowy zaczyna się od nowa.

W cyklu życiowym komórki wyróżnia się jeszcze fazę G0, która jest fazą spoczynkową, do której komórka „wychodzi” najczęściej z fazy G1 lub G2. Komórki znajdujące się w fazie G0 też pełnią funkcje do których zostały powołane przez organizmy, ale przestają się dzielić (dojrzałe neurony)

Niektóre komórki mogą wracać z fazy G0 do cyklu komórkowego i dalej się dzielić jeśli zostaną odpowiednio pobudzone np. przez hormony lub czynniki wzrostowe.

Układ kontroli cyklu komórkowego we właściwym czasie włącza odpowiednie enzymy i inne białka uczestniczące w kolejnych etapach cyklu, a po ich zakończeniu składniki te dezaktywują. Gwarantuje również zakończenie każdej fazy cyklu zanim rozpocznie się następna.

Checz point - molekularne punkty kontroli (sygnały)

Podział komórkowy:

Zdolność dzielenia się i tworzenia nowych, potomnych komórek jest podstawową właściwością komórki żywej. Podział musi odbywać się w ten sposób, aby zawartość jąder komórek potomnych była identyczna jak w komórce macierzystej. Jest to bardzo ważne gdyż zawarty w jądrze materiał genetyczny jest nośnikiem informacji o budowie i funkcjonowaniu komórki.

Gamety są haploidalne - zawierają tylko pojedynczy zestaw chromosomów (1n)

Wszystkie pozostałe komórki ciała, włącznie z komórkami linii płciowej, dającej początek komórkom rozrodczym, są diploidalne zawierają dwa zestawy chromosomów (2n), jeden od matki, drugi pochodzący od ojca.

Na podział komórki składają się dwa procesy:

• Kariokineza - podział jadra komórkowego

• Cytokineza - podział cytoplazmy

W komórce zachodzą dwa typy podziału jądra komórkowego:

• Mitoza - podział somatyczny, w wyniku którego liczba chromosomów w jądrze komórek potomnych jest identyczna z liczbą w jadrze komórki macierzystej.

• Mejoza - podział redukcyjny zachodzi podczas tworzenia gamet w jego wyniku liczba chromosomów w jądrze komórek potomnych jest o połowę mniejsza aniżeli w jądrze komórki macierzystej.

Mitoza - podział komórki rozpoczyna się podziałem jadra komórkowego, co poprzedzone jest intensywną syntezą (replikacją) DNA i białek. W wyniku replikacji dochodzi do podwojenia ilości DNA.

Na podział mitotyczny składają się następujące etapy:

• Profaza

• Metafaza

• Anafaza

• Telofaza

1. Profaza

We wcześniejszej profazie:

• Zareplikowane chromosomy ulegają kondensacji, a poza obszarem jadra komórkowego rozpoczyna się tworzenie wrzeciona podziałowego.

• Pod koniec profazy zanika błona jądrowa i jąderko.

Formowanie wrzeciona podziałowego jest kontrolowana przez centra mitotyczna definiująca, a zarazem zlokalizowana na przeciwstawnych biegunach komórki. Mikrotubul tworzące wrzeciono podziałowe powstają w ich specjalnych regionach - centrach organizowania mikrotubul (MOC) i rozchodzą się od nich promieniście.

W komórkach zwierzęcych centra mitotyczne związane są z centrosomem ( którego składnikiem są centriole o roli bliżej nieznanej, zbudowanej z układu krótkich mikrotubul )

Pod koniec fazy S centrosom ulega replikacji. W profazie siostrzane centrosomy rozdzielają się i przemieszczają do przeciwnych biegunów komórki. Każdy centrosom przyporządkowuje sobie własny układ mikrotubul i te dwa układy mikrotubul. Współdziałają ze sobą tworząc wrzeciono mitotyczne.

W komórkach roślin wyższych brak centrosomu, a wrzeciono podziałowe powstaje w leżących na przeciwstawnych biegunach komórki obszarach zwanych okapami biegunowymi.

Wyróżnia się dwa typy mikrotubul tworzących wrzeciono podziałowe:

• Mikrotubul kinetochorowe, które przyłączają się do centromeru dzięki formowaniu się w jego obrębie kinetochorowi. Jest to kompleks białek, którego zadaniem jest połączenie z biegunem wrzeciona podwójnych chromosomów i umożliwienie ich segregacji.

• Mikrotubul biegunowe, które łączą biegun z biegunem bez przyłączania jakichkolwiek chromosomów.

2. Metafaza

W prometafazie zreplikowane chromosomy zostają przymocowane do wrzeciona mitotycznego i zaczynają się poruszać. Ostatecznie ustawiają się w płaszczyźnie równikowej wrzeciona kariokinetycznego tworząc płytkę metafazową.

3. Anafaza

Na początku anafazy połączenia pomiędzy chromatydami siostrzanymi zostają przecięte przez enzymy proteolityczne, pozwalając by chromatydy siostrzane - odtąd chromosomy potomne - zostały przeciągnięte do przeciwległych biegunów komórki.

4. Telofaza.

Końcowe stadium mitozy, podczas którego wokół obu powstałych grup chromosomów zostaje odtworzona otoczka jądrowa i są formowane dwa jadra potomne.

Zaraz po odtworzeniu błony jądrowej pory zaczynają wpompowywać białka jądrowe. Jądro powiększa się, a skondensowane chromosomy ulegają dekondensacji do interfazowego stanu, co umożliwia podjęcie na nowo transkrypcji genów.

Powstanie nowego jądra stanowi o zakończeniu mitozy. Komórka powstaje dokończenie podziału, czyli cytokineza.

Cytokineza - jest procesem podziału cytoplazmy na dwie części. Między dwie komórki potomne rozdzielone zostają takie składniki jak: błony, cytoszkielet, organelle, rozpuszczalne białka itp.

Cytokineza rozpoczyna się w anafazie ale nie kończy się przez uformowaniem jąder potomnych.

W komórce zwierzęcej, w telofazie, w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego powstaje bruzda podziałowa, która pogłębia się dośrodkowo, dzieląc cytoplazmę na dwie części.

W komórce roślinnej w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego powstaje blaszka środkowo - bruzda pogłębiająca się w kierunku środka do brzegów komórki. Substancje tworzące blaszkę środkową powstają w ER i aparacie Golgiego, następnie na blaszce obustronnie tworzona jest błona komórkowa a na niej odkładane są elementy ściany komórkowej - mikrofibrylle celulozowe i pektyny.

Mejoza

Z wyjątkiem chromosomów płciowych (determinujących płeć) diploidalna komórka zawiera dwa bardzo podobne, warianty każdego chromosomu, różniące się genetycznie (zawierają one różne wersje wielu genów). Chromosomy takie zwane są chromosomami homologicznymi lub homologami.

22 pary chromosomów homologicznych plus 1 chromosom płciowy.

W wyniku podziału mejotycznego powstają gamety zawierające tylko połowę pierwotnej liczby chromosomów - mają tylko jeden chromosom każdego typu, zamiast pary ich homologów. Każda gameta nabywa więc albo matczyną albo ojcowską kopię chromosomów, a nie obie.

Konieczność zredukowania liczby chromosomów w mejozie wymaga innego mechanizmu podziału komórkowego, co stanowi istotę różnicy między mitozą a mejozą.

Pierwszą z różnic jest to, że w czasie mejotycznego podziału jadra zareplikowane homologiczne chromosomy ojcowskie i matczyne ( w tym również chromosomy płci), zanim zajmą miejsce na wrzecionie ustawiają się parami wzdłuż siebie, tworząc pary tzw. biwalenty.

Mejoza obejmuje dwa sprzężone ze sobą podziały ( I i II), w obrębie których wyróżnia się takie same stadia, tj. profaze, metafaze, anafaze, telofaze.

Z tą jednak różnicą, że profaza pierwszego podziału składa się z pięciu stadiów: leptoten, zygoten, pachyten, diploten, diokineza.

Pomiędzy obu podziałami może występować okres interfazy, bądź następują one jeden po drugim.

I podział mejotyczny - rozpoczyna się jak w mitozie replikacją po której ujawniają się specyficzne cechy mejozy.

1. Profaza I

Leptoten - chromosomy mają tu postać cienkich, lekko zespiralizowanych nici (stadium cienkich nici).

Zygoten - następuje koniugacją chromosomów, polega ona na połączeniu wzdłuż par chromosomów homologicznych zwano odtąd biwalentami. Każdy chromosom składa się z dwóch identycznych chromatyd, zatem biwalenty składają się z czterech chromatyd. Koniugacja niemożliwa jest przy braku homologii chromosomów (międzygatunków hybryd).

Zreplikowane chromosomy homologiczne w biwalentach są utrzymywane razem w dokładnym ustawieniu względem siebie poprzez formowany w zygotenie kompleks synaptemalny. Kompleks ten składa się z długiego rdzenia białkowego przypominającego drobinę z dwoma chromosomami homologicznymi ustawionymi po przeciwnych stronach. Rola kompleksu synaptemalnego polega więc na wytworzeniu połączeń poprzecznych między chromosomami homologicznymi. To stadium I profazy mejotycznej może trwać latami, następne stadia zachodzą szybko.

Pachyten - (stadium grubych nici) kontynuowany jest proces spiralizacji całkowicie skonfigurowanych chromosomów homologicznych, które oplątują się wokół siebie skręcając się i grubieją (skręcają się 5 krotnie w stosunku do długości w leptotenie). W pachytenie biwalenty są wyraźnie widoczne a w każdym z nich chromosom biwalentów widoczne są dwie chromatydy.

W stadium pachytenu zachodzi proces crossing - over konsekwencją którego są chiazmy (połączenia miedzy chromatydami w miejscach wymiany ich odcinków) których liczba równa się liczbie wymienionych odcinków między niesiostrzanymi chromatydami chromosomów homologicznych. Białkiem warunkującym zajście procesu crossing - over jest DNA - za której stężenie wzrasta właśnie w pachytenie. DNA - za tnie DNA a po wymianie odcinków zespala je ligaza DNA.

W wyniku procesu crossing - over dochodzi do wymieszania genetycznego układu każdego z chromosomów w których proces ten zaszedł. Powstają więc gamety o nowym zestawie genów a potomstwu przekazana zostaje kombinacja alleli różna od tej która występowała u każdego z rodziców. Powstają więc osobniki o nowych kombinacjach cech.

Allele - różne odmiany tego samego genu.

Diploten - chromosomy homologiczne w biwalentach oddzielają się o siebie z wyjątkiem chiazm w miejscach występowania których są nadal połączone. Również kompleks synaptemalny oddzielają się od chromosomów.

Diakineza - stadium największej spiralizacji chromosomów, redukcji poprzez terminalizację czyli przesunięcie ku krańcom biwalentów ulega liczba chiazm. Pod koniec diakinezy w prometafazie I zanika jąderko i błona jądrowa, powstaje wrzeciono podziałowe a biwalenty przesuwają się do płaszczyzny równikowej wrzeciona.

2. Metafaza I

W płaszczyźnie równika wrzeciona podziałowego parami naprzeciw siebie układają się chromosomy homologiczne.

3. Anafaza I

Do przeciwległego bieguna komórki rozchodzą się całe chromosomy homologiczne a nie jak w mitozie - chromatydy. Pod koniec zachodzi częściowa despiralizacja.

4. Telofaza I

Jeżeli się pojawia to odtwarza się otoczka jądrowa i jąderko. Interfaza bardzo często trwa krótko w niektórych przypadkach chromosomy nie ulegają despiralizacji przed wejściem w drugi podział.

Podział mejotyczny II zachodzi w sposób typowy dla mitozy:

• Profaza II - rozpad otoczki jądrowej i utworzenie wrzeciona podziałowego.

• Metafaza II - w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego ustawiają się chromosomy, centromery siostrzane chromatyd połączone są z włóknami wrzeciona.

• Anafaza II - centromery ulegają rozdzieleniu i do przeciwległych biegunów przemieszczają się pojedyncze chromatydy.

• Telofaza II - tworzą się cztery haploidalne jądra.

Po drugim podziale mejotycznym zachodzi cytokineza - w jej wyniku powstają cztery komórki rozrodcze gamety.

Zachodzący podczas mejozy proces crossing - over łącznie z niezależną segregacją chromosomów jest odpowiedzialny za rekombinację gamet.

- przekazywanie potomstwu kombinacji alleli różnej od tej która występuje u rodziców.

Gametogeneza - proces tworzenia gamet omówiony zostaje np. ssaków u których podobnie jak u pozostałych zwierząt mejoza zachodzi jedynie w jądrze - spermatogeneza i jajnikach - oogeneza.

Spermatogeneza - pierwotne komórki płciowe (2n) dzielą się wielokrotnie mitotycznie w celu uzyskania puli spermatogoniów (2n) które różnicują się na spermatocyty I rzędu (2n) zachodzi pierwszy podział mejotyczny i powstają haploidalne spermocyty II rzędu (1n) które przechodzą drugi podział mejotyczny i powstają cztery spermatydy (1n). Przekształcają się one w zakończone wicią ruchliwe plemniki - spermatozoa.

Oogeneza - komórki płciowe (2n) dzielą się mitotycznie w celu uzyskania puli oocytów I rzędu (2n). Zachodzi pierwszy podział mejotyczny i powstają dwa haploidalne komórki różniące się wielkością. Większa to oocyty II rzędu (1n) mniejsza to ciałko kierunkowe I rzędu, drugi podział mejotyczny oocytu II rzędu jest również nierówny, powstaje duża komórka jajowa (1n) zawierająca prawie całą cytoplazmę i małe ciałko kierunkowe II rzędu. Ciałko kierunkowe I rzędu dzieli się na dwa kolejne ciałka. Jedynie komórka jajowa przenosi materiał genetyczny do następnego pokolenia.

Oogeneza różni się od spermatogenezy tym, że:

• Produktów końcowych jest jedna a nie cztery gamety

• Różny jest czas trwania tych procesów:

• Spermatogeneza to proces ciągły, począwszy od uzyskania dojrzałości płciowej.

• Oogenezie produkcja oocytów I rzędu jest już zakończona w komórce płodu, są one zatrzymywane w profazie pierwszego podziału mejotycznego aż do osiągnięcia dojrzałości płciowej, pierwszy podział mejotycznym kończy się podczas owulacji a do drugiego dochodzi po zapłodnieniu.

Fotosynteza - w strukturze troficznej każdego ekosystemu ogniwem warunkującym istnienie kolejnych poziomów troficznych są producenci. Ich dziełem jest produkcja pierwotna czyli intensywność syntezy materii organicznej z nieorganiczną dokonywana przez autotrofy.

W procesie fotosyntezy użyteczna tylko dla fotoautotrofów energia promieniowania słonecznego przekształcana jest w przyswajalną dla wszystkich organizmów formę chemiczną związaną w substancji organicznej.

W chemosyntezie prowadzonej przez organizmy chemoautroficzne głównie bakterie, przekształceniu takiemu ulega energia pochodząca z utlenienia zredukowanych związków nieorganicznych(np. NH3, H2S, H) lub (co występuje bardzo rzadko) prostych połączeń węgla (np.CH4).

Rozmiary produkcji pierwotnej zależą od takich czynników jak:

• Biotyczne (jakościowo - ilościowa struktura biocenoz i struktura przestrzenna)

• Abiotyczne (np. klimat, składnik podłoża, stężenie CO2, warunki hydrologiczne, ukształtowanie powierzchni)

Produkcja pierwotna może być rozpatrywana jako:

• Produkcja pierwotna ogólna (brutto, globalna, całkowita) jest to całkowita wytworzona materia organiczna, łącznie z częścią zużytą na procesy respiracji samych produktów.

• Produkcja pierwotna czysta (netto, właściwa, uchwytna) jest to szybkość magazynowania materii organicznej w tkankach producentów. Magazynowaniu w postaci biomasy ulega „nadwyżka” materii powstałej w procesie foto- bądź chemosyntezy, która nie zostaje zużyta w procesie oddychania tych organizmów. Produkcja czysta stanowi zwykle około 80% do 90% produkcji ogólnej.

Biomasa producentów stanowi potencjalne źródło energii dla heterotrofów. Produkcja pierwotna czysta więc jest podstawą produkcji wtórnej. Produkcja pierwotna wyraża się w jednostkach biomasy, węgla lub energii odnosząc ją do jednostki objętościowej bądź powierzchni oraz jednostki czasu.

W przypadku agrocenoz używa się określenia produktywności roślin czyli ilości wytworzonej substancji organicznej wyrażonej w jednostkach suchej masy lub energii na jednostkę powierzchni gleby zajmowanej przez rośliny (np. w kg ha) i na jednostkę czasu (np. tydzień, miesiąc).

Produkcja wtórna to szybkość magazynowania energii w tkankach heterotrofów przy czym wykorzystanie biomasy i energii przez kolejnych konsumentów jest niepełne gdyż różne grupy heterotrofów przyswajają pokarm z różną efektywnością. Przykładowo roślinożercy wykorzystują jedynie kilkanaście procent energii zawartej w pobranym pokarmie, podczas gdy mięsożercy od 30% do 50% reszta to tzw. strata.

Całość materii organicznej i zmagazynowanej w niej energii wykorzystanej w określonym czasie przez organizmy danego ekosystemu lub jego części, określony jako produkcję biologiczną.

Aparaty szparkowe reagują na :

• Natężenie i jakość światła

• Temperatura

• Wilgotność względem powietrza

• Wewnętrzne stężenie dwutlenku węgla

• Stężenie kwasu abscysynowego ABA

Stężenie CO₂ wewnatrzkomórkowego- mechanizm jabłczanowy

NOC DZIEŃ(światło)

↓

(roślina oddycha, aparaty są zamknięte) fotosynteza→ spadek stężenia CO₂

↓ ↓

Wzrost stężenia CO₂ w wyniku oddychania wzrost pH(alkalizacja)

↓ ↓

Spadek pH(zakwaszenie) skrobia → glukoza

↓ _{depolimeryzacja}

Glukoza → skrobia ↓

_polimeryzuje

↓ otwieranie aparatów

Zamknięcie szparki szparkowych

Rośliny CAM (rośliny kserotermiczne)- w nich fotosynteza jasna i ciemna zachodzi w dzień pod wpływem PEP-fosfoendopirogronianu.

NOC

Otwarte aparaty PEP + CO₂→szczawiooctan→jabłczan(gromadzony w wakuolach)

DZIEŃ

Zamknięte jabłczan →gromadzony w wakuolach →PEP

↓

CO₂

Rośliny C₃iC₄ (mechanizmy)

rośliny C₄ →zużycie 5ATP + 2NADPH

rośliny C₅ →zużycie 3ATP + 2NADPH

Barwniki fotosyntetyczne możemy podzielić na:

a)główne, czyli chlorofil - nadają one roślinom zielona barwę, absorbują barwę w zakresie widzialnym, głownie niebieską i czerwoną część widma. Istnieje liczna grupa chlorofili oznaczonych alfabetycznie i różniących się strukturalnie (głownie podstawnikami). U Eucaryota są to chlorofile od 'a' do 'd'd, u Procaryota to bakteriochlorofile od 'a' do 'g'g. Wszystkie organizmy prowadzące oksygeniczny typ fotosynety tzn. przebiegający z wydzieleniem tlenu, zawierają CHLOROFIL a o barwie niebieskozielonej. W chloroplastach roślin wyższych występuje CHLOROFIL b o barwie żółtozielonej, który stanowi ok 1/3 ilości chlorofilu a

b) pomocnicze (karotenoidy), które dzielą się na pomarańczowoczerwone karoteny, żółte i żółtopomarańczowe ksantofile. Inna budowa barwników pomocniczych sprawia, że absorbują one światło w nieco innym zakresie niż chlorofile, co wiąże się z ich funkcja. Barwniki te absorbując światło w zakresie nie absorbowanym przez chlorofil, energie stanu wzbudzonego mogą przekazywać na cząsteczkę chlorofilu, działając jak antena. Inna funkcja tych barwników jest ochrona przed procesami fotooksydacji, zwłaszcza w przypadkach silnego naświetlania. Barwnikami pomocniczymi są tez fikobiliny u sinic i krasnorostów (fikoerytryna i fikocyjanina)

Zaburzenia w biosyntezie chlorofilu są przyczyną jego niedoboru określonego jako chloroza. N syntezę chlorofilu wpływa wiele czynników spośród których najważniejsze to:

• Czynnik genetyczny - zaburzenia w biosyntezie mogą wynikać z nieprawidłowości w zapisie genetycznym.

• Światło - jest czynnikiem niezbędnym w biosyntezie chlorofilu dlatego też rośliny rosnące w ciemności są jego pozbawione.

Biosynteza chlorofilu jest kilku etapowa, etapy procesu prowadzące do wytworzenia protochlorofilidu a przebiegają w ciemności, końcowy etap prowadzący do uzyskania pełnowartościowej cząsteczki chlorofilu a bezwzględnie potrzebuje światła.

• Tlen jest niezbędny w warunkach beztlenowych, etiolowanie siarki nie wytwarzają chlorofilu nawet w świetle

• Dostępność odpowiednich węglowodanów, azotu i magnezu - niezbędnych komponentów składających się na cząsteczkę chlorofilu

• Dostępność przyswajalnych form żelaza, magnezu, miedzi i cynku - pierwiastki te nie wchodzą w skład cząsteczki chlorofilu ale są niezbędne w jego syntezie jako katalizatory

• Temperatura - biosynteza chlorofilu nie zachodzi w temperaturze poniżej 30 stopni Celsjusza, powyżej 48 stopni Celsjusza

• Woda - odwodnienie miękiszu zieleniowego nie tylko powstrzymuje syntezę chlorofilu ale przyspiesza rozkład już istniejącego

• Żywa komórka i plastydy - tylko w tych warunkach zachodzi synteza chlorofilu

Światło można rozpatrywać jako ruch falowy lub jako porcja energii. Wiązka światła białego, przepuszczona przez pryzmat ulega rozszczepieniu tworząc tzw. widmo, można w nim wyróżnić 7 podstawowych barw: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebiesko - zielony, niebieski i fioletowy. Każda barwa ma charakterystyczną długość fali. Długość fali jest definiowana jako odległość między pikami. Energia fali jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości dłuższej fali odpowiada niższa energia aniżeli krótszej fali.

Układ kolorów jest determinowany długością fali światła. Światło widzialne jest tylko niewielką częścią spektrum elektromagnetycznego. Im większa długość fali światła widzialnego tym kolor bardziej zbliżony do czerwonego, im krótsza tym kolor bliżej fioletowej części spektrum. Długość światła dłuższe aniżeli widzialne określone są jako infrared, krótsze aniżeli widzialne, a dłuższe od promieniowania X jako ultrafiolet.

Chlorofil pochłania światło niebiesko - fioletowe oraz większą część promieniowania czerwonego (o długości fali). Ma za tym dwa maksima absorpcji, jedno w promieniowaniu niebiesko - fioletowym a drugie w czerwonych.

Fotoukłady - cząsteczki barwników nie występują w chloroplastach pojedynczo, lecz tworzy zespoły. Każdy zespół (system) składa się z kilkuset cząsteczek chlorofilu, barwników pomocniczych (karetonoidów), białek i innych substancji. Nie wszystkie cząsteczki chlorofilu wchodzące w skład systemu są jednakowo aktywne pod względem fotochemicznym. Na około 500 cząstek chlorofilu, tylko jedna para jest aktywna, wchodząc w skład tzw. centrum aktywnego fotosystemu (centrum reakcji fotochemicznej). Pozostałe cząsteczki chlorofilu i barwniki pomocnicze, wbudowane w błony fotosyntetyczne tylakoidów, tworzą kompleksy białkowo - lipidowo - barwnikowe, pełniące rolę anten energetycznych. Ich rola polega na wyłapywaniu kwantów energii.

W błonach fotosyntetycznych roślin i sinic czyli organizmów prowadzących oksygeniczny typ fotosyntezy, wykryto dwa rodzaje fotosystemów, oznaczone symbolem PSI i PSII. Błony tylakoidu zawiera wiele tysięcy fotoskładów obu rodzajów.

Fotoskłady I i II różnią się:

• Budową

• Składem barwników, lipidów i białek

• Właściwościami spektralnymi

W obu fotoskładach centrum aktywne stanowi para cząsteczek chlorofilu a, ale z powodu innego otoczenia białkowo - lipidowego właściwości spektralne obu par w obu fotosystemach są różne.

Chlorofil znajdujący się w centrum reakcji fotoskładu I (PSI) wykazuje maksimum absorpcji przy długości fali 700 nm, stąd określony jest on jako P-700.

W fotoskładzie II analogiczna para chlorofili wykazuje maksimum absorpcji przy 680 nm, stąd określane są one jako P-680. W skład fotosystemu II oprócz chlorofilu a wchodzi też chlorofil b i karetonoidy co też wpływa na przesunięcie spektrum w kierunku krótszych fal (światła niebieskiego).

Fotosynteza przebiega w dwóch falach, różniących się warunkami i miejscem zajścia procesu:

• Faza świetlna - wymaga obecności energii świetlnej zachodzi w błonach tylakoidów chloroplastów i polega na przekształceniu energii świetlnej w ATP i NADPH.

• Forma ciemna jest niezależna od światła, przebiega w stromie chloroplastów i polega na przekształceniu CO₂ w węglowodany, przy użyciu produktów fazy jasnej czyli ATP i NADPH.

W przypadku fotosyntezy oksygenicznej, prowadzonej przez rośliny, istotą tej fazy jest oderwanie elektronów od cząsteczki wody i przeniesienie ich na utlenioną formę NADP (NADP⁺).

W transporcie elektronu od wody do NADP⁺ uczestniczą oba fotoskłady i przenośniki deutronów nie związanych z fotoskładami. Pod wpływem energii świetlnej, pochłoniętej przez zespoły barwników PSI i PSII aktywne cząsteczki chlorofilów (P-700 i P-680) uwalniają elektrony, które przepływają przez układ przenośników. Istnieją tu dwie możliwości:

• Fosforylacja fotosyntetyczna niecykliczna, połączona z fotodysocjacją wody

• Fosforylacja fotosyntetyczna cykliczna przebiegająca bez fotodysocjacji wody

W obu przypadkach energia świetlna zostaje zmagazynowana w postaci ATP.

Faza ciemna fotosyntezy

Reakcje ciemnej fazy fotosyntezy zachodzą w stromie, gdzie znajdują się wszystkie enzymy uczestniczące w tym procesie.

W fazie ciemnej fotosyntezy, określonej jako fotosyntetyczny cykl redukcji węgla, następuje wbudowywanie CO₂ w związki organiczne dzięki wykorzystaniu produktów fazy świetlnej fotosyntezy - ATP i NADPH, stanowiących siłę asymilacyjną (redukcyjną).

Wyróżniamy trzy etapy procesu:

• Karboksylacja

• Redukcja

• Regeneracja

Regeneracja- to skomplikowany proces i kilkuetapowy, polega na przekształceniu 5 trójwęglowych cząsteczek PGAld (5xC₃) w 3 pięciowęglowe cząsteczki RuDP (3xC₅) w uproszczeniu wygląda to tak:

C₃ + C₃ = C₆

C₃ + C₃ = C₄ + C₅ (RuDP)

C₄ + C₃ = C₇

C₇ +C₃ = C₅ + C₅ = 2 RuDP

Czynniki ograniczające fotosyntezę:

Natężenie fotosyntezy zależy od licznych parametrów środowiskowych tj:

• Stężenie CO₂

• Natężenie światła

• Temperatura

• Wilgotność

• Odżywianie mineralne

• Wewnętrzne czynniki

Punkt kompresyjny - tutaj ilość wydzielonego CO₂ i pobieranego równoważą się.

Wpływ intensywności światła na fotosyntezę.

Epistrofia -zjawisko wiążące się ze światłem rozproszonym, chloroplasty układają się w powierzchniowej warstwie.

Parastrofia - gdy światła jest za dużo, chloroplasty układają się.

SCHEMAT FOTOSYNTEZY: triozy(3C)

↑

Fotony światła→ faza świetlna→ ATP→ faza ciemna→ ADP

Fotosyntezy →NADPH₂ →faza ciemna →NADP

↑ ↑ ↑ ↑

NADP H₂O ADP CO₂

Faza jasna w błonach tylakoidów.

Faza ciemna w stromie.

Fotony światła → FOTOSYNTEZA

↑ ↓

CO_2, H₂O O₂,GLUKOZA

↑ ↓

ODDYCHANIE→ ATP + ciepło

Fotosynteza u bakterii.

Fotosyntetyzujące siarkowe bakterie purpurowe (fotosynteza anoksygeniczna, przebiegająca w warunkach beztlenowych i bez wydzielenia tlenu, donorem wodoru jest tu H₂S):

CO₂ + H₂S + hυ →CH₂O + H₂O+2S

W porównaniu z oksygeniczną fotosyntezą u roślin:

CO₂ + 2H₂O + hυ →CH₂O + H₂O+2O

Oddychanie - procesy anaboliczne (syntezy), każdy rodzaj pracy źródłem energii dla wszystkich aktywności są procesy biologiczne utlenienia, określane jako oddychanie.

Oddychanie - enzymatyczny proces katabolizm, dostarczający organizmom, enzymy niezbędnej dla ich aktywności życiowej zewnętrznych przejawem oddychania jest wymiana gazowa.

U Eucaryota reakcje składają się na procesy oddechowe zachodzą po części w cytoplazmie komórkowej, a po części w mitochondriach.

ODDYCHANIE

Procesy fizjologiczne.

Procesy anaboliczne. }to wymaga energii

Każdy rodzaj pracy.

Źródłem energii są procesy biologicznego utleniania , określany jako oddychanie.

U Procaryota reakcje procesów oddechowych w cytoplazmie i błony cytoplazmatycznej, która u niektórych bakterii tworzy pofałdowania - mezosomy, struktury te, ze względu na lokalizację w nich enzymow łańcucha oddechowego, pełnią funkcję analogiczną do mitochondriów Eucaryota.

Substraty energetyczne:

- organiczne:

• Węglowodany

• Tłuszcze (kiełkujące nasiona oleiste - utlenienie poprzedzone jest hydrolizą do glicerolu i kwasów tłuszczowych)

• Białka (nasiona roślin motylkowych, źródłem energii są tu aminokwasy)

Substraty ulegają dehydrogenacji i dekarboksylacji.

- nieorganiczne - zredukowane związki nieorganiczne:

• Azotu NH₄

• Siarki H₂S

• Żelaza Fe²⁺

• Energia zawarta w H₂

Substraty ulegają dehydrogenacji

Fermentacja - procesy oddechowe o bardzo niskiej wydajności.

Oddychanie beztlenowe - fermentacja beztlenowa, oddychanie azotanowe, fermentacja mlekowa.

W warunkach laboratoryjnych proces spalania glukozy zachodzi gwałtownie zgodnie z reakcją:

W komórkach organizmów żywych procesy biologiczne utleniania substratów energetycznych zachodzą wieloetapowo. Wieloetapowy przebieg procesu umożliwia stopniowe uwalnianie energii małymi porcjami, co zabezpiecza komórkę przed uszkodzeniem a zwłaszcza denaturacja białek. Wspólną cechą wszystkich typów oddychania jest utlenianie substratów, polegające na ich odwodnieniu (odłączenie H a przede wszystkim elektronu lub elektronów).

Procesowi temu towarzyszy uwalnianie energii:

• Częściowo magazynowanej w postaci wysokoenergetycznych wiązań fosforowych ATP

• Częściowo zwolnionej w postaci ciepła

Odrywany w procesie dehydrogenacji substratu H jest odwracalnie przyłączany do przenośników wodorowych:

• NAD

• FAD

Przenośniki wodorowe przenoszą H na związek, który go trwale zwiąże tzw. ostateczny akceptor wodoru (np. O₂, NO₃, SO₄, S, CO₂, Fe³⁺)

SUBSTRAT ENERGETYCZNY

↓H dehydrogenacja

NAD, FAD redukcja przenośnika

↓H _{łańcuch oddechowy ( fosforylacja oksydacyjna)}

Akceptor wodorowy redukcja akceptora

Akceptor wodorowy ulega redukcji, a wędrówce elektronu i wodoru z przenośników na akceptor towarzyszy uwalnianie energii, która akumulowana jest w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP.

Biologiczne utlenienie substratu organicznego.

Biologiczne utlenianie substratu organicznego może zachodzić na drodze tlenowej i beztlenowej.

W trakcie biologicznego utleniania substratów organicznych zachodzą dwa podstawowe procesy:

Pierwszym wspólnym etapem oddychania tlenowego i beztlenowego jest glikoliza. Glikoliza zachodzi w warunkach beztlenowych w cytplazmie komórki i polega na wieloetapowej przemianie glukozy do kwasu pirogronowego z wytworzeniem niewielkiej ilości ATP.

Przemiany kwasu pirogronowego są inne w oddychaniu tlenowym i beztlenowym (fosforylacja substratowe w glikolizie).

Oddychanie

GLIKOLIZA:

I etap- glikoliza zachodzi w cytoplazmie komórek i polega na wieloetapowej przemianie glikozy do kwasu pirogronowego z wytworzeniem niewielkiej ilości ATP. Zachodzi w warunkach beztlenowych.

Aldehyd 3-fosfhlicerynowy -trwały produkt fazy ciemnej.

Glukoza 2 cząsteczki pirogronianu

CCCCCC CCC CCC

↓

Fruktoza -1-6-bifosforan

P-CCCCCC-P

↓

2 cząst.aldehydu 3-

Fosfoglicerynowego 2 cząsteczki aldehydu

P-CCC CCC-P 1,3-bifosfoglicerynowego

P-CCC-P P-CCC-P

W glikolizie fosforylacja ma charakter fosforylacji substratowej (inna oksydacyjna)

BILANS GLIKOLIZY.

1cząsteczka NADH + H⁺ = 3ATP

Fosforowanie glukozy -2ATP

Fosforylacja substratowa +4ATP

2NADH + H^{+ ≡} +6ATP

Transport wodoru do -2ATP

Mitochondriów

+6ATP (zysk energetyczny)

Ze spalenia 1 cząsteczki glukozy uzyskujemy 6ATP.

Cykl Krebsa

II etap - cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego), polega na całkowitym utlenieniu czynnego octanu (acetylo - CoA) w szeregu cyklicznie powtarzających się reakcji, na które składają się:

• Dekarboksylacja i uwolnienie CO₂ jako końcowego produktu oddychania

• Przyłączanie wody (hydratacja) połączona z kolejną dekarboksylacją

• Dehydrogenacja - odłączenie atomów H przenoszone są na łańcuch oddechowy

Enzymy związane z cyklem Krebsa znajdują się w matrix mitochondrialnej z wyjątkiem dehydrogenazy bursztynianowej, związaną z wewnętrzną błoną mitochondrialną.

Pirogronian nie wchodzi do cyklu kwasów trikarboksylowych bezpośrednio. Najpierw musi zostać przetransportowany do wnętrza mitochondrium za pomocą specjalnego przenośnika, umożliwiającego jego przejście przez błonę wewnętrzną do matrix. Transport jonu pirogronowego do wnętrza mitochondirum sprzężony jest z wydzieleniem jonu OH^- do przestrzeni międzybłonowej (antyport pirogronian hydroksyl).

W matrix, w warunkach dobrego dostępu tlenu, pirogronian ulega tlenowej dekarboksylacji (dekarboksylacji oksydacyjnej) i dehydrogenacji do dwuwęglowego acetylo - koenzymu A (acetylo - CoA) zwanego też czynnym octanem. Koenzym A jest jest przenośnikiem dwuwęglowego kwasu octowego.

Pirogronian + NAD⁺ + 6A acetylo - CoA + NADH⁺ + H⁺

Reakcja ta katalizowana jest przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (kompleks składający się z 5 enzymów).

Acetylo - CoA może też pochodzić z przemian tłuszczów ( P - oksydacja) i aminokwasów i wielu różnych węglowodanów.

BILANS CYKLU KREBSA.

Przemiana jednej cząsteczki glukozy:

A cząsteczka glukozy daje 2 cząsteczki pirogronianu.

1 cz. NADH+ H⁺ = 3ATP

1cz. FADH₂ = 2ATP

1cz. GTP( syntetaza sukcynylo-CoA) = 1 ATP

Dehydrogenaza , pirogornian

2 NADH + H⁺ = +6ATP

2*1FADH₂ = +4ATP

2*3NADH + H⁺=+18ATP

Fosforylacja 2 ATP

Substratowa

+ 30ATP

Łańcuch oddechowy

III etap - łańcuch oddechowy na tym etapie odłączone w poprzednich etapach atomoy H zostają przeniesione za pośrednictwem wodorowym na ostateczny akceptor, którym w oddychaniu tlenowym jest tlen.

Procesy redox

Potencjał oksydoredukcyjne (potencjał redoks) danego związku jest miarą jego powinowactwa do elektronów. Jest on mierzony względem wodoru.

Dodatni potencjał redox oznacza, że związki ma większe powinowactwo do elektronów niż H i będzie przyjmował elektrony od H.

Ujemny potencjał redox oznacza mniejsze od H powinowactwo do elektronów, co znaczy że cząsteczka będzie przekazywała elektrony wodorowi.

Różnica potencjałów między NADH + H⁺/NAD+ (-0,32V) i O₂ / H₂O (+0,82V) jest czynnikiem napędzającym w łańcuchu oddechowym ruch elektronów przez serię przenośników, które są tak uszeregowane, by przyjmować elektrony od przenośnika o bardzo ujemnym potencjale redox i przekazywać je na następny przenośnik o potencjale bardzo dodatnim.

Podczas tej wędrówki elektronów uwalniana jest energia. Jeśli ilość wyzwolonej energii jest odpowiednio duża, może towarzyszyć ruch H+ w poprzek błony czemu towarzyszy synteza ATP. Liczba miejsc, w których proces ten może zachodzić, zależy od różnicy mięzy potencjałami redox substratu i końcowego akceptora elektronów.

Teoria chemiosmotyczna tłumaczy związki między ruchem elektronów a tworzeniem ATP. Transportowi elektronów przez błony łańcuch , transportu elektronów towarzyszy przenoszenie protonów z jednej strony błony na drugą poprzez system pomp. Gdy donorem elektronów jest NAH + H^+, a końcowym akceptorem tlenu, ruch protonów zachozi w trzech miejscach, są nimi dehydrogenaza NADH, kompleks cytochromów bc1 i końcowa oksydaza cytochromowa.

Pompowanie protonów H w poprzek błony skutkuje wytworzeniem siły protonomotorycznej (PMF), która jest wynikiem nierównomiernego rozkładania H⁺ po obu stronach blony (dodatni potencjał na zewnątrz powierzchni błony spowodowany zagęszczeniem H⁺ i ujemny na wewnątrz spowodowany zagęszczeniem OH^-). Przyczyną takiej polaryzacji błony jest jej nieprzepuszczalność dla H⁺, działa ona jak bariera.

Siła protonomotoryczna lub gradient elektrochemiczny błony jest siłą napędową generacji ATP (i procesów wymagających energii). Proces fosforylacji, czyli proces syntezy ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego (Pi) zachodzi z udziałem kompleksu syntezy ATP, która jest kanałem utworzonym przez białka integralne błony.

Kanał ten umożliwia, wygenerowany różnicą gradientów po obu stronach błony powrotny transport H⁺ z zewnętrzną na wewnętrzną powierzchnię błony, a dzięki obecności kompleksu ATP - Azy (białek katalitycznych i regulatorowych) przepływowi temu towarzyszy synteza ATP.

Oddychanie beztlenowe

Fermentacja to proces metaboliczny służący odtworzeniu ATP, w którym produkty rozkładu substratów organicznych pełnią jednocześnie rolę donorów i akceptorów wodoru.

Jest to więc specyficzna forma utleniania substratu bez udziału łańcucha oddechowego, w którym nie zachodzi fosforylacja oksydacyjna, a jedynym sposobem pozyskiwania energii jest fosforylacja substratowa.

Fermentacje prowadzą beztlenowce i względne beztlenowce (rosnące w obecności i też braku tlenu).

Reakcje prowadzące do fosforylacji AP mają charakterystyczne utlenianie. Utlenianie związków węgla opuszczają komórkę w postaci CO₂. Poszczególne etapy utleniania polegają na odwodorowaniu substratu z równoczesnym przekazaniem H na NAD.

Produkty pośrednie powstają na skutek degradacji substratu służą z kolei jako akceptory wodoru pochodzącego z NADH₂.

Wiele mikroorganizmów wykorzystuje pochodne pirogronianu jako akceptory elektronów i H⁺.

Zredukowane produkty powstałe w wyniku regeneracji NAD są wydzielane jako produkty końcowe.

Podczas fermentacji powstają pojedyncze lub różnych układach, następujące produkty: etanol, mleczan, maślan, bursztynian, octan, n-butanol, aceton, izopropanol, CO₂ i H₂.

Większość fermentacji została nazwana od powstających produktów.

Fermentacje, w wyniku których powstaje tylko jeden produkt to homofermentacja (np.homofermentacja mlekowa - produkt kwasu mlekowy), jeśli produktów jest więcej to mówimy o heterofermentacji (np.heterofermentacja mlekowa, produkty kwasu mlekowego, etanol, CO₂)

Homofermentacja mlekowa.

Heterofermentacja alkoholowa.

Glikoliza 2mole ATP

Cykl Krebsa 30 moli ATP

Fermentacje 2 lub 3( jeśli tworzony jest octan) mole ATP

Liczba	Cecha	Oddychanie beztlenowe	Oddychanie tlenowe
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.	Substrat oddechowy Stopień utlenienia substratu oddechowego Akceptor wodorowy Produkty Liczba uwalnianych moli ATP z jednego mola glukozy Zysk energetyczny z 1 cząsteczki glukozy Etapy procesu Rejon komórki w którym proces zachodzi	glukoza częściowy głównie kwas pirogronowy kwasy, alkohole, wodór, CO2 4ATP 2ATP glikoliza + redukcja jej produkty cytoplazma	glukoza całkowity tlen atmosferyczny CO2, H2O 36 ATP 36ATP glikoliza, cykl cytrynianowy, łańcuch oddechowy cytoplazma, mitochondria

W warunkach beztlenowych, aby móc wykorzystać mechaniczny transport elektronów do syntezy ATP, wiele mikroorganizmów zamiast tlenu wykorzystuje alternatywne, nieorganiczne akceptory elektronów, tj. azotany, siarczany i CO₂.

Względne beztlenowce w warunkach tlenowych będą korzystały z tlenu. Tego typu oddychanie jest procesem bardzo wydajnym niż fermentacje, ale mniej niż oddychanie tlenowe.

Denitryfikacja dysymilacyjna (właściwa) wykorzystanie azotanów jako akceptorów elektronów w oddychaniu azotanowym(azotan ostateczny akceptor)

NO₃^- →NH₃( reduktaza azotanowa cytoplazmatyczna dotyczy oddychania beztlenowego)

Denitryfikacja asymilacyjna - nie ma nic wspólnego z oddychaniem, organizmy przeprowadzają go gdy braknie azotu, następuje redukcja azotanów do amonu.

Archeabakterie metanogenne, które są bezwzględnymi beztlenowcami, jako alternatywne akceptory elektronów wykorzystują CO₂ lub węglan, redukując je do metanu.

HCO₃^- + H⁺ + 4H₂ CH₃ + 3H₂O

Inną grupą Archeabakterii są bakterie redukujące siarczany do siarczków.

SO₄^2- + 8e^- + 8H⁺ S^2- + 4H₂O

Biologiczne utlenianie substratu nieorganicznego

Wiele grup bakterii wodnych i glebowych potrafi wykorzystywać nieorganiczne związki lub jony ( amon, azotyn, siarczyn, tiosiarczan, siarczek, siarka elementarna, wodór, tlenek węgla, jako donory elektronów lub wodoru, zyskuje w wyniku ich utleniania energię i równoważniki redukujące (protony i elektrony) dla procesów syntezy.

W tego typu oddychaniu ostatecznym akceptorem elektronów jest głównie tlen, w nielicznych tylko przypadkach niektóre wyspecjalizowane bakterie wykorzystują jako akceptor wodoru azotan, azotyn lub podtlenek azotu (oddychanie beztlenowe).

NAD / NADH + H+ = -310mV

NH₄ / NH₂OH^- = +889mV

NO₃^- / NO₂^- = +420Mv potencjały oksydoredukcyjne

Fe³⁺ / Fe²⁺ = +770mV

O₂ / H₂O = +820mV

Typ życia, w którym związki nieorganiczne wykorzystywane są jako donoty wodoru określamy - chemolitotrofia.

Utlenianie jonów amonowych, azotynów, związki siarki lub żelaza przez bakterie autotroficzne (chemolitotrofy) jest procesem mało wydajnym energetycznie. Wynika to z charakteru powyższych substratów energetycznych. Mają one bardziej dodatni potencjał redoks niż NAD⁺, nie mogą więc być bezpośrednimi donorami elektronów dla tego przenośnika elektronów.

Aby mógł powstać NADH + H⁺, konieczny jest odwrotny transport elektronów, w górę łańcucha oddechowego (wbrew potencjałowi) co wymaga zużycia energii (ATP).

Zysk netto ATP i NADH + H⁺ jest bardzo mały. Z niską wydajnością tego procesu chemolitotrofy radzą sobie utleniając duże ilości związków nieorganicznych.

Elektrony pochodzące z utlenienia substratu nieorganicznego wchodzą do łańcucha oddechowego na poziomie cytochromu a lub c, zysk energetyczny jest więc mały, bo możliwa jest tylko jedna fosforylacja. Ponadto część energii jest wykorzystywana na poziomie cytochromów do napędzania elektronów w górę łańcucha oddechowego. Wsteczny transport elektronów u tych bakterii jest koniecznością.

Utlenianie amonu i azotynu - nitryfikacja.

NH₃ NH₂OH [NOH] NO₂^- NO₃^-

Nitryfikacja zachodzi w warunkach tlenowych, przy pH 7 - 8 i przebiega w dwóch etapach prowadzonych przez odrębne grupy bakterii, tzw. nitryfikatory:

• I etap - utlenienie amonu do azotynu (63,8 kcal)

• II etap - utlenienie azotynu do azotanu ( 17,5 kcal)

Bakterie utleniające amon (Nitroso- )

NH₄⁺ + 1,5O₂ NO₂^- + 2H⁺ + H₂O

Bakterie utleniające azotyn (Nitro-)

NO₂^- + 1,5O₂ NO₃^-

NH₃ NH₂OH [NOH] NO₂^- NO₃^-

Jedynie etapy utleniania od hydroksylaminy do azotynu i azotanu są energiodajne, czyli dostarczają energii użytecznej.

Elektrony wchodzą do łańcucha oddechowego na poziomie cytochromu a lub c - zysk energetyczny jest więc mały, gdyż w łańcuchu oddechowym może być zrealizowana tylko jedna fosforylacja.

Utlenianie zredukowanych związków siarki

S^2- + 2O₂ SO₄^2-

S + H₂O + 1,5O₂ SO₄^2- + 2H⁺

S₂O₃^2- + H₂0 + 2O₂ SO₄^2- + 2H⁺

Zdolność prowadzenia tych procesow mają bakterie (b-) z rodzaju Thiobacillus, Obligatoryjne chemolitotrofy: T.tiooxidans, T.thioperus, T.denitryficaus, Miksotrofy (mogą odżywiać się hetero- i autotroficzne) : T.novellus, T.intermedius.

Wszystkie wymienione szczepy są tlenowcami, T.denitryficaus potrafi ponadto wykorzystywać azotan jako akceptor wodoru, oddychając zatem beztlenowo i przeprowadzając denitryfikację.

W warunkach organicznych zawartości tlenu utlenienie zredukowanych form siarki prowadzą nitkowate bakterie siarkowe z rodzaju Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca.

Działalność tych bakterii wiąże się z silnym zakwaszeniem środowiska. Przystosowane są więc one do wzrostu w niskich zakresach pH.

Intensywność oddychania komórkowego jest proporcjonalna do potrzeb energetycznych komórki. Komórki oddychające intensywnie maja więcej mitochondriów. Najintensywniej oddychaja komórki tkanek twórczych i rosnących.

Najmniejszą intensywność procesów oddechowych wykazują nasiona, zarodniki i przetrwalniki oraz zwierzęta w stanie anabiozy.

Na intensywność oddychania wpływa:

• Temperatura

• Stężenie CO₂ (wzrost hamuje)

• Uwodnienie komórki (odwodnienie hamuje)

• Witaminy (np. zwiększają intensywność)

• Stężenie ADP w komórce (spadek hamuje)

Genetyka - od replikacji do białka.

Replikacja to proces kopiowania przez komórkę swojego DNA. Zachodzi przed podziałem komórkowym i jest bezwzględnym warunkiem umożliwiającym przekazanie informacji genetycznych komórką potomnym. Powielenie zachodzi zawsze w kierunku 5' 3' i jest katalizowana przez enzymy z grupy polmeraz DNA.

Precyzja tego procesu jest prawie doskonała, co wynika z:

• Precyzyjnego mechanizmu polimeryzacji nowych łańcuchów DNA;

• Obecności systemów ochronnych zdolnych do wykrywania i naprawy wszelkich błędów i uszkodzeń DNA.

Dzieje się to dzięki zdolnościom polimeraz DNA do sprawdzania, czy od nowo syntetyzowanej nici został wprowadzony prawidłowy nukleotyd. Proces ten jest możliwy dzięki nabyciu przez te enzymy aktywności egzonukleazowej (3' 5'), która umożliwia usunięcie nieprawidłowo wstawionych nukleotydów i zastąpienie ich prawidłowymi (komplementarnymi do nukleotydów w nici rodzicielskiej). Jest to tzw. mechanizm korekcyjny.

Oba systemy (syntezy i naprawy DNA) są zdolne do odróżnienia własnych nici od obcych, nici uszkodzonych od prawidłowych, rodzicielskich od nowo zsyntetyzowanych i od natychmiastowego włączenia mechanizmów korygujących.

Dzięki tym systemom błędy replikacji powodujące powstanie mutacji pojawiają się niezmiernie rzadko, raz na 10⁹ - 10¹⁰ prawidłowo wstawionych nukleotydów.

Mechanizm replikacji jest taki sam u wszystkich organizmów różnice tylko dotyczą enzymów i białek zaangażowanych w ten proces.

• U Procaryota za syntezę DNA odpowiada 2 enzymy - polimeraza

• U Eucaryota DNA jest replikowany przez 5 DNA polimeraz

Replikacja jest procesem semikonserwatywnym. Synteza nowych nici DNA może zachodzić tylko na bazie nici rodzicielskich służących jako matryce. Są one dokładnie replikowane, dając w efekcie duże identyczne, nowe cząsteczki dwuniciowego DNA, z których każda zawiera jedną pierwotną (rodzicielską) nić i jedną nowo zsyntetyzowaną.

Synteza DNA zachodzi w widełkach replikacyjnych. W trakcie replikacji cały dwuniciowy DNA ulega progresywnemu naplątaniu, do dwóch jednoniciowych DNA, stanowiących dla polimeraz matryce do syntezy nowych nici DNA.

Inicjacja replikacji zachodzi ściśle określonych sekwencjach nukleotydów zgromadzonych w specyficznych miejscach chromosomu - origin.

Rozplatanie dwuniciowej helisy i tworzenie widełek replikacyjnych, rozpoczyna się w określonym miejscu cząsteczki DNA, zwanym ori i stopniowo przesuwa się wzdłuż cząsteczki, zwykle w obu kierunkach. Sekwencje ori zawierają zwykle odcinki bogate w słabe pary AT. Zazwyczaj liczą one 200 - 300 par zasad.

Specyficzne sekwencje w obrębie ori służą wiązania białek inicjatorowych i rozdzielaniu nici, w tak powstałe otwarte miejsce wchodzi helikaza replikacyjna, która wypiera białko inicjatorowe i rozplata nici w obie strony. Oddzielone, jednoniciowe fragmenty obu nici DNA są stabilizowane białkami zapobiegającymi odtwarzanie struktury dwuniciowej (SSB). Inne sekwencje w obrębie one służą do przyłączenia białek wspomagających proces replikacji.

Bez względu na to czy komórka ma jeden chromosom czy wiele, DNA ulega replikacji tylko raz na każdy cykl komórkowy.

Inicjacja replikacji jest więc sygnałem do podziału komórkowego.

W rejonie widełek replikacyjnych zachodzą następujące procesy:

1. Rozplecenie dwuniciowej helisy - odpowiada za to enzym helikaza. Po rozpleceniu nici DNA do pojedynczych łańcuchów DNA przyłączają się białka SSB zapobiegające odtworzeniu dwuniciowej helisy;

2. Inicjacja replikacji - replikacja DNA jest inicjowana przez krótkie odcinki RNA służące jako startery (primery) dla polimerazy DNA. Polimeraza DNA nie może rozpoczynać syntezy nowych łańcuchów DNA, może je jedynie wydłużyć. Synteza DNA zaczyna się więc od budowania krótkich odcinków RNA o wolnych grup końcowych 3'OH (starterów) do których polimeraza DNA dołącza kolejne nukleotydy. Za syntezę starterów RNA odpowiadają wyspecjalizowane enzymy PRIMAZY zdolne do rozpoczęcia syntezy w obecności jednoniciowego DNA.

Synteza starterów jest niezbędna w rozpoczynaniu nowej rundy replikacyjnej w miejscu inicjacji i w syntezie fragmentów Okazaki. Przed połączeniem fragmentów Okazaki w jedna nić startery są wycinane i usuwane, a powstałe przerwy uzupełnione.

3. Synteza nici wiodącej i opóźnionej (elongacja). Wszystkie polimerazy DNA katalizują przyłączanie pojedynczych trifosforanów nukleotydowych tylko do wolnej grupy 3'-OH synteza DNA może przebiegać tylko w kierunku 5' 3', podczas gdy odczyt matrycy przebiega w kierunku 3' 5'. Ponieważ ułożenie obu nici w helisie jest antyrównoległe (nici biegną w przeciwnych kierunkach jedna 3' 5', a druga 5' 3') ich replikacja przebiega innymi mechanizmami.

Jedna nić wiodąca jest kopiowana w sposób ciągły, zgodnie z kierunkiem przesuwania się widełek. Druga tzw. nić opóźniona jest syntetyzowana w sposób nieciągły w kierunku przeciwnym do ruchu widełek, krótkimi fragmentami - tzw. fragmenty Okazaki ( o długości 100 - 1000 nukleotydów) - łączonych później w jedną nić.

Elongacja nici DNA wymaga poza precyzją również:

• Obecność odpowiedniej liczby nukleotydów

• Ze względu na dużą endoergiczność procesu, dogodnego źródła energii - dlatego w procesie elongacji łańcucha nukleotydowego używane są trifosforany nukleotydów.

Ligacja - końcowy etap syntezy nici opóźnionej polega na katalizowanym przez ligazę DNA łączeniu ze sobą fragmentów Okazaki wiązaniami fosfodiestrowymi.

4. Zakończenie, czyli terminacja replikacji. W kolistej cząsteczce DNA bakteryjnego replikacja kończy się, gdy widełki dotrą do miejsca terminacji, znajdującego się po przeciwnej stronie miejsca inicjacji. U Eucoryota sekwencje te nie wystepują, a replikacja ulega zakończeniu w momencie zetknięcia się widełek replikacyjnych podążających ku sobie z przeciwnych kierunków.

Z uwagi na wyjątkową długość chromosomów eukariotycznych, replikacja DNA musi być inicjowana w wielu miejscach osi, by zapewnić ukończenie powielania materiału genetycznego w odpowiednim czasie.

Widełki replikacyjne przesuwają się w obu kierunkach poczynając od miejsca osi, tworząc tzw. bąble replikacyjne, mogące się spotkać i połączyć. DNA replikowany z jednego miejsca osi to replikon.

U Procaryota replikon obejmuje cały chromosom. W typowej komórce ssaków znajduje się od 50 - 100 000 replikonów, każdy z nich replikuje od 40 - 200 DNA, ponieważ replikacja zaczyna się jednocześnie w wielu miejscach, szybkość replikacji całego genomu eukariotycznego wielokrotnie przewyższa szybkość replikacji genomu bakteryjnego.

W trakcie replikacji u Eukariota DNA musi zostać uwolniony ze struktury nukleosomu.

Replikacja DNA sterowana jest przez duże, wieloenzymatyczne kompleksy, zawierające oprócz primazy i polimerazy liczne inne białka - tworzą one razem tzw. replikom. Kompleks inicjalny to primozom.

Replikacja licznych chromosomów Eucaryota napotyka na problem, którego nie ma w przypadku kolistych chromosomów Procaryota.

Koniec 5' nici opóźnionej nie może ulec replikacji z powodu braku miejsca dla startera RNA. Powoduje to niebezpieczeństwo skracania chromosomów z każdą rundą replikacyjną i utraty informacji genetycznej.

Ratunkiem są tutaj struktury telomerowe, umieszczone na końcach chromosomów, zawierające krótkie, powtarzające się, nie kodujące sekwencje (u człowieka są to sekwencje 5' TTAGGG3').

Pod koniec replikacji koniec 3' nici wiodącej wystaje poza koniec 5' nici opóźnionej. Enzym telomeraza zawiera cząsteczkę RNA, która jest częściowo komplementarna do sekwencji powtarzającej się na końcu 3' nici wiodącej. Telomeraza wydłuża nić wiodącą używając RNA jako matrycy (odwrotna transkrypcja). Następnie enzym odłącza się i wiąże z nowym końcem telomerowym wydłużając nić wiodącą. Proces wydłużania może zachodzić setki razy. Wydłużona nić wiodąca służy następnie jako matryca do replikacji końca nici opóźnionej.

Informacja genetyczna

Gen - to jednostka informacji w postaci fragmentu DNA o określonej sekwencji nukleotydów, kodujących sekwencję aminokwasów w polipeptydzie. Wielkość genów jest bardzo zróżnicowana - pojedynczy gen może zawierać o 100 do kilku milionów par zasad.

Informacja genetyczna zawarta w DNA, zakodowana w sekwencji zasad jest zorganizowana w postaci dużej liczby genów, z których każdy zawiera instrukcje dotyczące syntezy polipeptydu lub cząsteczki strukturalnego RNA (rybosomowe).

Zdolność DNA do gromadzenia informacji jest ogromna. Dla cząsteczki o n liczbie nukleotydów liczba kombinacji wynosi 4ⁿ. W chromosomach geny są rozproszone i podzielone sekwencjami niekodującymi tzw. DNA integralnym.

Większość genów jest w chromosomie rozproszone w przypadkowy sposób, ale niektóre z nich są zorganizowane w grupy lub zespoły. Wyróżnia się dwa rodzaje zespołów genów : operony (prokaryota) i rodziny genów (eukariota). Operony są zespołami genów występującymi u bakterii. Zawierają geny regulowane w skoordynowany sposób i kodują białka, których funkcje są ścisle powiązane np. operon laktozy E.coli. Operon to taki ukła genów struktury i regulatorowych, który umożliwia wspólną regulację ekspresji genów wchodzących w skład operonu. Koordynacja regulacji polega na tym, że wszystkie geny operonu są transkrybowane na jedną cząsteczkę mRNA a transkrypcja zaczyna się od wspólnego promotora.

Zgrupowanie genów w obrębie jednego operonu umożliwia ich równoczesne włączenie lub wyłączenie.

Operator - obszar w DNA rozproszony przez represor, znajduje się między promotorem a początkiem genów struktury. Gdy operator zostaje powiązany z białkiem represorowym białko to blokuje miejsce starteru transkrypcji i uniemożliwia polimerazę RNA syntezę mRNA. (to naturalny wyłącznik: włącz / wyłącz ).

Promotor - w DNA sekwencje miejsc inicjacji transkrypcji.

Operon laktozy E.coli podlega regulacji pozytywnej i negatywnej.

Regulacja negatywna - regulacja ekspresji genów różnych typów operonów przy pomocy allosterycznych represorów, polega na blokowaniu transkrypcji przez represor.

Allosteria - oddziaływanie między przestrzennie oddalonymi rejonami białka.

Regulacja pozytywna - gdy do rozpoczęcia transkrypcji, konieczny jest operon polimerazy RNA, dodatkowy czynnik inicjujący transkrypcję.

Gdy nie ma glukozy CAMP rośnie, cyklicznie AMP łączy się z białkiem CAM, ma duże powinowactwo do promatora.

Organizmy wyższe nie posiadają operonów a zespoły genów istnieją w postaci rodzin wielogenowych.

Geny w rodzinach wielogenowych są identyczne lub bardzo podobne ii nie są regulowane w skoordynowany sposób.

Grupowanie się genów z rodziny wynika prawdopodobnie z zapotrzebowania na wielokrotne kopie genu, co w ewolucji zostało spełnione przez jego duplikację. Każda z tych kopii uruchomiona jest własnym promotorem. Rodziny wielogenowe mogą być:

• Proste - zawierają identyczne geny, np. geny rybosomowego 5SRNA u człowieka istnieje ok. 2000 kopii tego genu

• Złożone - zawierają geny podobne ale nie identyczne, np. rodzina genów globinowych kodujących serię polipeptydów (globiny - białkowe komponenty hemoglobiny), które różnią się między sobą zaledwie kilkoma aminokwasami.

Sekwencja nukleotydów w genie jest współliniowa z sekwencją aminokwasów w polipeptydzie. Ekspresja informacji zawartej w genach podlega ścisłej regulacji. W danym momencie ekspresji nie ulegają wszystkie geny zawarte w komórkach DNA, a jedynie te, które kodują polipeptydy, na które jest zapotrzebowanie. W różnych typach komórki aktywne są różne geny, co wynika z ich zróżnicowanej fizjologii. Właściwości komórki i jej funkcje determinuje komplet genów, które są aktywne w danej komórce.

Ekspresja genów jest regulowana przez odcinek sekwencji DNA, zwany promotorem, znajdujący się przed sekwencją kodującą. Czynniki transkrypcyjne (polimeraza RNA i inne białka) rozpoznają zachowawcze sekwencje promotora i wiążą się z nimi co prowadzi do syntezy RNA stanowiącego transkrypt danego geny.

U organizmów wyższych w obrębie genów sekwencja kodująca jest zwykle oddzielona na serię odcinków DNA, zwanych eksonami = egzon.

Eksony są porozdzielane przez introny, sekwencje niekodujące. Liczba intronów w różnych genach jest różna i mieści się w granicach od 0 do 50.

Przed wykorzystaniem informacji genu do syntezy białka introny muszą być usunięte z transkryptu, a eksony połączone w jedną ciągłą cząsteczkę DNA. Proces usuwania intronów i równoczesnego połączenia eksonów to splicing.

Kod genetyczny

Informacja genetyczna jest zbudowana w cząsteczkę DNA w sekwencji zasad wielu genów. Sposób w jaki komórka dekodują te informację w celu biosyntezy białek to ekspresja genów.

Kod genetyczny jest:

1. Trójkowy - sekwencja DNA genu jest podzielona na szereg jednostek złożonych z trzech zasad. Każda taka jednostka - kodon (triplet) dyktuje określony aminokwas.

2. Zdegenerowany - cztery zasady w DNA i RNA mogą utworzyć łącznie 4³ kombinacji trójek co daje 6⁴ kodony, określające 20 aminokwasów wchodzących w skład białek. Liczba kodonów jest większa od liczby aminokwasów, więc prócz metioniny i tryptofanu, wszystkie pozostałe aminokwasy są kodowane przez więcej niż jeden kodon. Zjawisko to określone jest jako nadmiarowość lub degeneracja kodu genetycznego, a kodony odpowiedzialne za wprowadzenie tych samych aminokwasów to synonimy i są podobne np. ACU,, ACC, ACA, ACG kodują treoninę. Różnice między synonimami dotyczące głównie trzeciej pozycji kodonu (tj. pozycja tolerancji). Degeneracja kodu genetycznego minimalizuje efekty mutacji, bo nie każda zmiana sekwencji zasad w kwasie nukleinowych powodują zmianę sekwencji aminokwasów w białkach.

AUG - START UAA - STOP UGA - STOP UAG - STOP

Spośród 64 kodonów, 61 koduje aminokwasy, pozostałe 3 kodony UAG, UGA, UAA, nie kodują żadnego aminokwasu i stanowią sygnały zakończenia translacji. Określone są jako kodony terminacyjne albo kodony stop.

Kodon metionowy - AUG jest dla wszystkich białek sygnałem startu translacji i jest nazywany kodonem inicjującym lub kodonem start. Tak więc wszystkie peptydy zaczynają się metioniną, choć czasami aminokwas ten zostaje później usunięty. Kodon inicjujący oprócz miejsca startu translacji , określa też ramkę odczytu sekwencji RNA.

Zestaw wielu kodonów ułożonych obok siebie, zaczynający się kodonem inicjującym a kończący się kodonem terminacyjnym to otwarta ramka odczytu.

c) jednoznaczny - tzn., że dany kodon koduje tylko 1 aminokwas. Ponadto z dwóch nici DNA tylko jedna jest matrycową, druga komplementarna pełni funkcję stabilizacyjną
d) niezachodzący - tzn., że ułożone kolejno na mRNA nukleotydy nie mogą być odczytane w postaci trójek zachodzących na siebie( jeden nukleotyd nie może jednocześnie występować w 2 lub 3 sąsiednich trypletach.

Sekwencja triplety;

CCAGAUUCGUUC CCA GAU UUG UUC ……TAK

CAG AUU CGU UC……….NIE

AGA UUC GUU C ………...NIE

e)BEZPRZECINKOWY- tzn. że kodujące triplety nie są podzielone innymi niekodującymi nukleotydami.

CCA GAU CCG UUC.. …TAK

CCA A AUU C GUU C ….NIE

f)UNIWERSALNY-(powszechny) zarówno organizmy Pro- jak i Eucaryotyczne posługują się tym samym kodem genetycznym i przy użyciu tego samego słownika kodów. Wyjątek stanowią tu genomy mitochondrialne i niektórych organizmów jednokomórkowych , u których niektóre kodony mają inny sens.

GENETYKA -od replikacji do białka cz.II

Informacja genetyczna zapisana w sekwencji zasad w cząsteczce DNA zostaje udostępniona w procesie określanym jako -EKSPRESJA GENÓW.

Sposób dekodowania i wykorzystania informacji genetycznej określamy jako „główny dogmat” zaproponowany po raz pierwszy przez Cricka , polega na jej przepływie od DNA do RNA i dalej do białka.

1. w pierwszym etapie ekspresji genów , na bazie matrycowej nic DNA zachodzi synteza cząsteczki RNA ( w tym mRNA) o sekwencji komplementarnej do sekwencji DNA- proces te to TRANSKRYPCJA

2. powstały mRNA kieruje następnie syntezą polipeptydów w których sekwencja aminokwasów determinowana jest sekwencją zasad mRNA-TRANSLACJA

sekwencję aminokwasów w białku determinuje jego przestrzenną strukturę, która z kolei decyduje o charakterze i funkcji powstałego białka.

Główny dogmat zakłada że przepływ informacji genetycznej odbywa się tylko w jednym kierunku -od DNA przez RNA do białka.

Wyjątek od tej reguły stwierdzono u retrowirusów zawierających odwrotną transkryptazę (enzym , który przepisuje informację z RNA na DNA) oraz w przypadku replikacji końca nici poróżnionej u Eucaryota( przy udziale telomerazy)

Sekwencja nukleotydów w genie jest współliniowa z sekwencją aminokwasów w polimerazie.

Ekspresja informacji zawartej w genach podlega ścisłej regulacji.

W danym momencie ekspresji nie ulegają wszystkie geny zawarte w komórkach DNA , a jedynie te które kodują polipeptydy na które jest zapotrzebowanie.

W różnych typach komórek aktywne są różne geny co wynika z ich zróżnicowanej fizjologii. Właściwości komórki i jej funkcje determinuje komplet genów , które są aktywne w danej komórce.

Ekspresja genów jest regulowana przez odcinek sekwencji DNA zwany promotorem, znajdujący się przed sekwencją kodującą czynniki transkrypcyjne ( polimeraza RNA i inne białka) rozpoznaje zachowawcze sekwencje promotora i wiąże się z nimi co prowadzi do syntezy RNA, stanowiącego transkrypt danego gen.

W procesie transkrypcji - pierwszym etapie ekspresji genów- na matrycowej nici DNA przy udziale polimerazy RNA syntetyzowane są nici RNA, które mają sekwencję niematrycowej nici DNA.

Powstała cząsteczka RNA to transkrypt , który może :

1. ulec transkrypcji z utworzeniem białka ( mRNA- matrycowego RNA)

2. może być wykorzystany jako cząsteczka rybosomowego RNA(rRNA) lub transportującego (tRNA)

synteza RNA w procesie transkrypcji polega na polimeryzacji trifosforanów rybonukleotydu (ATP, GTP,UTP,CTP).

Grupa 3'- OH jednego rybonukleotydów tworzy nieznane fosfodiestrowe z 5'- fosforanem innego rybonukleotydu. Transkrypt powstaje w kierunku od 5' do 3'.

Transkrypcja u Procayrota.

Syntezy wszystkich rodzajów RNA dokonuje jedna polimeraza RNA, zbudowana z kilku podjednostek.

Proces transkrypcji dzieli się na 3 etapy;

1. - inicjacji

2. -elongacji

3. - terminacji

Polimeraza RNA u E. coli zbudowana jest 5 podjednostek:2α , 1β , 1β',1δ. Enzym ten ma formę HOLOENZYMU.

Jedynie kompletna cząsteczka polimerazy RNA zdolna jest do właściwego rozpoznania promotorów.

Podjednostka δ ma zdolności oddysocjowania od pozostałych podjednostek co prowadzi do powstawania formy określanej jako rdzeń enzymu. Obie formy polimerazy RNA w trakcie transkrypcji pełnią różne role.

Po odłączeni podjednostki δ enzym nie traci zdolności katalitycznych ale traci zdolności łączenia się z promotorem Σ jest więc odpowiedz za rozpoznanie w DNA sekwencji miejsc inicjacji transkrypcji czyli promotorów.

Podjednostka δ bierze zatem udział jedynie w inicjacji transkrypcji po rozpoczęciu , której oddysocjowuje , a proces elongacji prowadzony jest przez rdzeń enzymu.

INICJACJA-sygnały do rozpoczęcia transkrypcji są zawarte w sekwencji zasad promotora połączonego bezpośrednio przed sekwencją genu ulegającego transkrypcji.

Promotor zawiera sekwencję zasad rozpoznawaną przez DNA - zależną polimerazę RNA.w obrębie promotora leżą miejsca wiązania polimerazy i startu transkrypcji.

U E coli przez polimerazę RNA rozpoznawane są dwie tzw. sekwencje zgodnie określane jako sekwencje lub kasety 10 i 35.

Za rozpoznanie i wiązanie się polimerazy odpowiedzialna jest podjednostka δ, prawdopodobnie rozpoznaje kasetę 35.

Po związaniu się enzymu z promotorem powstaje zamknięty kompleks promotorowy ( inicjujący). Enzym wiąże się na odcinku 60pz obejmujący kasety 10 i 35.

Przed rozpoczęciem transkrypcji w rejonie kasety 10 bogatej w pary A-T helisa ulega dysocjacji , tworząc otwarty kompleks promotorowy. Podjednostka δ oddysocjowuje od otwartego kompleksu pozostawiając rdzeń enzymu. Równocześnie dwa pierwsze rybonukleotydy wiążą się z DNA, tworzy się pierwsze wiązanie fosfodiestrowe i zainicjowana zostaje transkrypcja.

Pierwszy nukleotyd syntetyzowanego RNA jest zawsze purynowy(A lub G) czyli polimeraza RNA rozpoznaje na matrycy DNA odpowiednie nukleotydy pirymidynowe.

Te zdolności rozpoznawane przez polimerazę RNA jednego z łańcuchów DNA jako matrycy pozwala określić jedną z nici jako matrycową , a drugą niematrcową.

ELONGACJA- podczas elongacji polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż cząsteczki DNA rozplatając ją. Rybonukleotydy dołączone są do końca 3'.

BIOLOGIA WYKŁAD 11 Z DNIA 15.01.10

W większości przypadków najpierw transkrypcji ulega sekwencja liderowa (niekodująca i nie podlegająca translacji sekwencja od kilku do kilkudziesięciu zasad), a dopiero po niej sekwencja kodująca genu. Na drugim końcu sekwencji kodującej znajduje się również niekodująca sekwencja 3' końcowa, dopiero po niej transkrypcja się kończy.

Podczas transkrypcji rozplecieniu ulega jedynie odcinek DNA o długości 12-17 pz. Rosnąca nic RNA jest sparowana z nicią matrycową rozplecionego odcinka DNA na długości ok. 12 pz w miarę zachodzącej syntezy. RNA oddysocjowuje od matrycy DNA, która odtwarza następnie strukturę dwuniciowej helisy.

TERMINACJA

Germinacja transkrypcji u Procaryota zachodzi w określonym miejscu, znajdującym się w pewnej odległości od sekwencji kodującej. U E. coli do germinacji dochodzi w sekwencjach palindromowych, w których jedna połowa sekwencji jest komplementarna w stosunku do drugiej co umożliwia tworzenie struktury zwanej spinką. Spinka działa jako sygnał terminacyjny.

Terminacja transkrypcji obejmuje oddzielenie się od matrycy tran skryptu i polimerazy RNA, która ponownie asocjuje się z podjednostką σ i przechodzi do kolejnej rundy transkrypcji.

TRANSKRYPCJA U EUCARYOTA

Transkrypcja u eucaryota pomimo, że jest bardziej złożona różnież przebiega w trzech etapach: inicjacji, elongacji i terminacji.

1. Etap inicjacji jest bardziej złożony,

2. Transkrypcję katalizują trzy enzymy (polimerazy RNA I, II, III), z których każdy transkrybuje inny zestaw genów i funkcjonuje w nieco odmienny sposób,

3. terminacja nie polega na tworzeniu się spinki terminacyjnej.

POLIMERAZA RNA II

Enzym ten transkrybuje geny kodujące białka.

Wiązanie się polimeraz RNA II z promotorem wymaga:

1. kilku różnych elementów sekwencji promotorowych,

2. udziału szeregu białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi.

Promotor zwykle zwiera element sekwencji określany jako kaseta TATA, stanowiący miejsce przyłączenia się polimerazy RNA II. Element ten ma sekwencję zgodną 5'TATA(A/T)A(T/A)3' położoną w odległości ok. 25 pz od miejsca startu. Jego rola polega na ulokowaniu polimerazy RNA w położeniu właściwym do rozpoczęcia transkrypcji.

Przyłączenie polimerazy RNA II do kasety TATA odbywa się z udziałem szeregu czynników transkrypcyjnych specyficznie współpracujących z tą polimerazą. Czynniki te wiążą się z DNA w pobliżu kasety TATA i tworzą rodzaj platformy, z którą łączy się polimeraza RNA II. Razem tworzą one kompleks funkcjonalny, zdolny do zainicjowania transkrypcji.

Na transkrypcję genów wpływa również szereg innych elementów promotora, mających charakterystyczne sekwencje zgodne. Sekwencje te działają jako miejsca wiązania innych czynników transkrypcyjnych, regulujących transkrypcję poprzez stymulację bądź represję.

Wiele genów zawiera również sekwencje wzmacniające (enhancerowe), znacznie stymulujące transkrypcję, jak i sekwencję wyciszające (silencers), hamujące transkrypcję. Sekwencje te znajdujące się poza miejscem promotorowym.

Terminacja transkrypcji katalizowanej przez polimerazę RNA II następuje w jakimś miejscu za sekwencją kodującą białko. Koniec 3' transkryptu jest usuwany po jego powstaniu, stąd trudność identyfikacji sekwencji sygnalizującej zakończenie transkrypcji.

Inicjacja transkrypcji przez polimerazy RNA I i RNA III zachodzi podobnie jak w przypadku polimerazy RNA II. Specyficzne sekwencje promotorowe są miejscem wiązania polimeraz i współdziałających z nimi czynników transkrypcyjnych.

POLIMERAZA RNA I

Polimeraza RNA I transkrybuje trzy spośród czterech genów kodujących rybosomowe RNA (18S, 28S i 5,8S RNA).

POLIMERAZA III

Enzym ten transkrybuje geny kodujące transportujący RNA (tRNA) i 5S RNA.

RNA

Komórka zawiera 3 klasy RNA:

1. transportujący RNA (tRNA),

2. rybosomowy RNA (rRNA),

3. informacyjny RNA (mRNA).

tRNA i rRNA stanowią część aparatu syntezy białka, mRNA stanowi matrycę dla tej syntezy.

tRNA- cząsteczka tRNA zbudowana jest z 74-95 nukleotydów. Między komplementarnymi częściami łańcucha polinukleotydowego tworzą się pary zasad, co prowadzi do powstania charakterystycznej drugorzędowej struktury liścia koniczyny.

Cząsteczka tRNA zawiera:

1. ramię akceptorowe - powstałe w wyniku sparowania zasad końców 5' o 3' tRNA. Sekwencja CCA występująca na końcu 3” nie jest jednak sparowana i stanowi miejsce przyłączenia aminokwasu.

2. Ramię D - jest strukturą spinki zawierającą nasadę i pentlę.

3. Ramię antykodonowi - odpowiedzialne za rozpoznawanie i wiązanie się z kodonem.

4. Ramię TC - ramię rybotymidynowe.

5. Ramię dodatkowe (zmienne) - występuje tylko u niektórych tRNA.

Porównanie licznych tRNA ujawniło, że część nukleotydów jest zachowawcza tzn. że w pewnych pozycjach sekwencji znajdują się niezmienne nukleotydy, jednakowe dla wszystkich tRNA.

Geny tRNA istnieją w postaci wielokrotnych kopii, co jest odzwierciedleniem dużego zapotrzebowania komórek na tRNA.

rRNA - rybosomy są makrocząsteczkowymi strukturami złożonymi z rybosomowego RNA (rRNA) i białek.

Rybosomy występują w dużych ilościach w cytoplazmie komórek, gdzie dokonują translacji informacyjnego RNA (mRNA) na sekwencję aminokwasów w polipeptydach.

Procaryotyczne rybosomy 70S składają się z podjednostek 50S i 30S i zawierają trzy rodzaje rRNA (23S, 16S, 5S).

Rybosomy Eucaryotyczne (80S) składają się z podjednostek 60S i 40S i zawierają 4 rodzaje rRNA (28S, 18S, 5,8S, 5S).

Translacja jest procesem odpowiedzialnym za syntezę białek w komórce. Sekwencja nukleotydów w mRNA determinuje sekwencję aminokwasów w polipeptydzie.

Cząsteczki tRNA pełnią kluczową rolę w tym procesie. Dostarczają one do rybosomów aminokwasy w kolejności wyznaczonej przez sekwencję nukleotydów w mRNA.

W komórce znajduje się zazwyczaj od 31 do 40 rodzajów tRNA, z których każdy odpowiedzialny jest za specyficzne wiązanie jednego z 20 aminokwasów. Wynika z tego, że istnieje kilka rodzajów tRNA mogących wiązać ten sam aminokwas.

Transferowe RNA (tRNA) rozpoznające ten sam aminokwas nazywamy izoakceptorami.

Przed rozpoczęciem translacji aminokwasy łączą się kowalencyjnie ze specyficznymi tRNA, te z kolei rozpoznają kodony mRNA określające dany aminokwas.

Przyłącznie aminokwasu do tRNA nazywamy aminoacylacją albo ładowaniem

c.d. translacji

Aminokwas łączy się kowalencyjnie z końcem ramienia akceptorowego tRNA, gdzie zawsze występuje sekwencja nukleotydowa 5'CCA3'. Wiązanie powstaje pomiędzy grupą karboksylową aminokwasu a 3' hydroksylem ostatniej adenozyny ramienia akceptorowego.

Reakcję powyższą katalizują enzymy zwane syntetazami aminoacylo-tRNA.

Reakcja wymaga hydrolizy ATP.

Dla każdego enzymu występuje odrębna syntetaza aminoacylo-tRNA, która z kolei rozpoznaje wszystkie izoakceptorowe tRNA dla danego aminokwasu.

Syntetaza aminoacylo-tRNA rozpoznaje więc zarówno specyficzny aminokwas, jak i odpowiadający aminokwasowi tRNA.

Do rozpoznania tRNA przez enzym dochodzi wskutek identyfikacji indywidualnych nukleotydów, specyficznych dla odpowiednich tRNA.

Rozpoznawanie kodonu

tRNA z przyłączonym prawidłowym aminokwasem rozpoznaje kodon mRNA, kodujący ten aminokwas, umożliwiając włączenie tego aminokwasu we właściwej pozycji peptydu, wyznaczonej przez sekwencję mRNA.

Taki przebieg procesu rozpoznawania kodon-aminoacylo-tRNA zapewnia wierność translacji mRNA na sekwencję aminokwasową peptydu.

Rozpoznanie kodonu przez tRNA odbywa się przez pętlę antykodonową tRNA, w szczególności przez trzy kolejne nukleotydy tej pętli nazywane antykodonem.

Antykodon wiąże się z kodonem na zasadzie komplementarności zasad.

W przypadku kodu genetycznego zdegenerowanego, indywidualne tRNA muszą rozpoznawać więcej niż jeden kodon określający dany aminokwas.

Rozpoznanie kilku różnych kodonów przez jedną cząsteczkę tRNA jest możliwe dzięki zdolności pierwszej zasady antykodonu do wiązania się z różnymi zasadami występującymi w trzeciej pozycji kodonu. Zdolność tę określa się jako „degenerację trzeciej zasady” lub „regułę tolerancji”.

Aminokwas łączy się kowalencyjnie z końcem ramienia akceptorowego tRNA, gdzie zawsze występuje sekwencja nukleotydowa 5'CCA3'. Wiązanie powstaje pomiędzy grupą karboksylową aminokwasu a 3' hydroksylem ostatniej adenozyny ramienia akceptorowego.

Reakcję powyższą katalizują enzymy zwane syntetazami aminoacylo-tRNA.

Reakcja wymaga hydrolizy ATP.

Dla każdego enzymu występuje odrębna syntetaza aminoacylo-tRNA, która z kolei rozpoznaje wszystkie izoakceptorowe tRNA dla danego aminokwasu.

Syntetaza aminoacylo-tRNA rozpoznaje więc zarówno specyficzny aminokwas, jak i odpowiadający aminokwasowi tRNA.

Do rozpoznania tRNA przez enzym dochodzi wskutek identyfikacji indywidualnych nukleotydów, specyficznych dla odpowiednich tRNA.

Rozpoznawanie kodonu

tRNA z przyłączonym prawidłowym aminokwasem rozpoznaje kodon mRNA, kodujący ten aminokwas, umożliwiając włączenie tego aminokwasu we właściwej pozycji peptydu, wyznaczonej przez sekwencję mRNA.

Taki przebieg procesu rozpoznawania kodon-aminoacylo-tRNA zapewnia wierność translacji mRNA na sekwencję aminokwasową peptydu.

Rozpoznanie kodonu przez tRNA odbywa się przez pętlę antykodonową tRNA, w szczególności przez trzy kolejne nukleotydy tej pętli nazywane antykodonem.

Antykodon wiąże się z kodonem na zasadzie komplementarności zasad.

W przypadku kodu genetycznego zdegenerowanego, indywidualne tRNA muszą rozpoznawać więcej niż jeden kodon określający dany aminokwas.

Rozpoznanie kilku różnych kodonów przez jedną cząsteczkę tRNA jest możliwe dzięki zdolności pierwszej zasady antykodonu do wiązania się z różnymi zasadami występującymi w trzeciej pozycji kodonu. Zdolność tę określa się jako „degenerację trzeciej zasady” lub „regułę tolerancji”.

Oddziaływanie kodon-antykodon może „tolerować” obecność różnych zasad w trzeciej pozycji kodonu z uwagi na fakt, że pętla antykodonowa nie jest liniowa.

Przebieg translacji u Pro- i Eucaryota jest podobny.

Proces ten dzielimy na trzy etapy

1. Inicjacja - wiązanie się mRNA z rybosomem,

2. Elongacja - dodawanie kolejnych aminokwasów do rosnącego łańcucha polipeptydowego,

3. Terminacja - uwolnienie nowo zsyntetyzowanego łańcucha polipeptydowego.

Każdemu etapowi towarzyszy inny zestaw dodatkowych białek, zwanych czynnikami translacyjnymi.

Proces translacji wymaga ze strony komórki nakładu energii, pochodzącej z hydrolizy trifosforanów guanozyny (GTP) i adenozyny (ATP).

GTP jest wykorzystywany w przesuwaniu się rybosomu wzdłuż mRNA i wiązaniu czynników translacyjnych.

ATP wykorzystywany jest w reakcji aminoacylacji tRNA.

Inicjacja

Rybosomy nie zaangażowane w procesie translacji występują w komórce w postaci rozdzielonych podjednostek - małej i dużej.

Inicjacja translacji rozpoczyna się związaniem małej podjednostki rybosomu z mRNA.

Pierwszym czytanym kodonem mRNA jest kodon AUG (u bakterii jest to czasami GUG lub UUG), który koduje metioninę i nosi nazwę kodonu inicjującego translację (lub kodonu start).

Mała podjednostka rybosomowa wiąże się z mRNA w ściśle określonym miejscu „powyżej” kodonu AUG.

tRNA zaminoacylowany metioniną wiąże się z kodonem AUG ulokowanym w obrębie małej podjednostki rybosomowej.

Kompleks mRNA, małej podjednostki i tRNAfMet nazywa się kompleksem inicjującym.

W komórce istnieją dwa rodzaje tRNA rozpoznające kodon AUG i wiążące się z metioniną.

Jeden z nich bierze udział tylko w inicjacji translacji (tRNAfMet), drugi z nich rozpoznaje wewnętrzne kodony AUG w mRNA.

Tylko inicjatorowy tRNA jest zdolny do wiązania się z kompleksem inicjującym.

W inicjacji bierze udział określona liczba dodatkowych czynników białkowych, zwanych czynnikami inicjującymi.

Elongacja

Elongacja rozpoczyna się związaniem dużej podjednostki rybosomu z kompleksem inicjującym. Wiązaniu temu towarzyszy uwolnienie czynników inicjujących i hydroliza GTP.

Kompletny rybosom ma dwa miejsca wiązania dla cząsteczek tRNA:

• pierwsze miejsce , określane jako miejsce P lub miejsce peptydowe, jest zajęte przez tRNAfMet, który wiąże się swoim antykodonem z kodonem AUG

• drugie miejsce , określane jako miejsce A, lub miejsce aminoacylowe, obejmuje drugi kodon mRNA.

Elongacja rozpoczyna się w momencie gdy miejsce A zostaje zajęte przez aminoacylo-tRNA, który paruje się swoim antykodonem z drugim z kolei kodonem mRNA.

W sytuacji gdy oba miejsca A i P są zajęte przez aminoacylowane tRNA, przyłączone do tRNA aminokwasy znajdują się we wzajemnym, bliskim kontakcie. Dochodzi do utworzenia wiązania peptydowego między grupą karboksylową metioniny i grupą aminową drugiego aminokwasu.

Reakcja jest katalizowana przez tzw. centrum peptydylotransferazowe. W procesie elongacji biorą udział dodatkowe białka tzw. czynniki elongacyjne.

Po utworzeniu wiązania peptydowego zachodzi proces translokacji i rybosom przesuwa się o jeden kodon.

Nowo utworzony dipeptyd, związany z drugim tRNA (aa-aa-tRNA) zajmuje teraz miejsce P wypierając deacylowany pierwszy tRNA, a miejsce A jest wolne.

Trzeci aminoacylowany tRNA zajmuje miejsce A i cykl elongacji zostaje powtórzony. Po każdym przyłączeniu aminokwasu do rosnącego łańcucha peptydowego, rybosom ulega translokacji o jeden kodon.

W trakcie trwania translacji rybosom przesuwa się wzdłuż mRNA, oddalając się od miejsca inicjacji translacji.

Uwolniony rejon 5' mRNA może związać kolejny rybosom. Jedna cząsteczka mRNA może więc ulegać równoczesnej translacji prowadzonej przez kilka rybosomów i tworzyć strukturę zwaną polisomem.

Terminacja

Translacja kończy się z chwilą gdy kodon terminacyjny (kodon stop) znajduje się w miejscu A.

Nie ma tRNA zdolnych do wiązania się z kodonami stop.

Zamiast tRNA z miejscem A wiąże się czynnik terminacyjny i doprowadza do uwolnienia kompletnego polipeptydu.

Po uwolnieniu peptydu rybosom uwalnia mRNA i rozdysocjowuje na dwie podjednostki, gotowe do rozpoczęcia kolejnej rundy translacji.

Po translacji nowo powstały peptyd może podlegać różnym modyfikacjom, doprowadzającym do powstania np. białka funkcjonalnego.

Głównymi modyfikacjami są:

1. Procesy kowalencyjnego przyłączania małych grup chemicznych (metylacja, fosforylacja, acetylacja, hydroksylacja) lub dużych grup chemicznych (lipidów, oligosacharydów - glikozylacja).

2. Rozcinanie łańcucha polipeptydowego - usuwanie pojedynczych terminalnych aminokwasów, usuwanie wewnętrznych fragmentów peptydowych, usuwanie sekwencji sygnałowych białek sekrecyjnych, rozcinanie białek większych na mniejsze, co czasami związane jest z aktywacją nieaktywnego prekursora białka.

ADP

ATP

2NAD⁺+P₁

2NADH+H⁺

4ATP

4ADP

2ADP

2ATP

---