Ćwiczenia - 23.10.2007

Cząsteczki przenoszą informację  

W procesach genetycznych najważniejszą rolę odgrywają trzy rodzaje cząsteczek: DNA, RNA i białka.

Strzałki wskazują procesy i kierunek przepływu informacji: od DNA do DNA, od DNA przez RNA do białek i od RNA do DNA

Replikacja

Po co ten proces i jego cechy charakterystyczne

• DNA musi być powielany i przekazywany nowym komórkom podczas cyklu podziałowego, żeby zachować ciągłość genetyczną między pokoleniami.

• Replikacja DNA to proces, podczas którego cząsteczka rodzicielska jest podwajana przed przekazaniem jednej z kopii DNA każdej z nowo powstających komórek.

• Replikacja powinna odznaczać się dużą wiernością, aby nie dochodziło do przekazania błędnej informacji.

• Uszkodzenie (na przykład spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym) oraz przypadkowe błędy (jak wprowadzenie niewłaściwego nukleotydu) w czasie replikacji DNA i pomiędzy cyklami replikacyjnymi powinny być usunięte, a nieprzekazane potomnym komórkom. RNA powstaje
  na matrycy DNA  

Przebieg procesu replikacji

• zachodzi podczas procesu S

1. inicjacja - następuje rozerwanie wiązań wodorowych pomiędzy komplementarnymi zasadami, powstaja widełki replikacyjne

• jest semikonserwatywna - do starej, rozdielonej, pojedynczej nici DNA dobudowywana jest nowa nić

• Białka - wiążą się do pojedynczych nici DNA wzmacniają je i zapobiegają ponownemu tworzeniu się wiązań wodorowych

2. elongacja - wydłużanie nici DNA

• Polimeraza DNA - dołącza kolejne nukleotydy

• Starter - fragment RNA, do którego którego dobudowywane są nukleotydy

• Nić wiodąca - syntetyzowana w sposób, ciągł, zawiera jeden starter

• Nić opróźniona - jest syntetyzowana w postaci krótkich odcinków (odcinki okazaki), które są potem łączone na skutek działania enzymów

• Odcinki okazaki - krótkie fragmenty nici DNA, dobudowywane poprzez polimerazę DNA do starterów w procesie replikacji DNA podczas syntezy nici opóźnionej. Po usunięciu starterów przez endonukleazy fragmenty okazaki zlepiane są przez enzym ligazę w jedną całość.

3. Terminacja - zakończenie, powstanie wiązań wodorowych pomiędzy zasadami, odtwarzanie struktury przestrzennej dwuniciowej helisy

Białka

• Odgrywają podstawowa rolę w budowie, właściwościach i całym metabolizmie komórki i organizmu

• Nie posiadają zdolności replikacyjnych dlatego konieczne jest współdziałanie z mechanizmem replikacji DNA zawierającego geny , które z kolei determinują powstanie różnego rodzaju białek

• Stanowią strukturę łańcuchowa - ogniwami są aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi

Transkrypcja

Ekspresja (wyrażanie) wszystkich genów komórki rozpoczyna się od transkrypcji, procesu, podczas którego sekwencja nukleotydów w DNA genu jest kopiowana w powstającym łańcuchu RNA. Czyli jest to proces przepisania informacji genetycznej z DNA na RNA.

Dla czego potrzeba przepisać ta informację?

DNA znajduj się w jadrze komórkowym a synteza białek odbywa się w cytoplazmie, DNA jest za duże aby móc przejść przez mikropory błony jądrowej. Niezbędna jest struktura pośrednicząca czyli RNA.

Przebieg procesu transkrypcji

• Podczas transkrypcji cząsteczka polimerazy RNA wiąże się z DNA w obrębie pewnej określonej sekwencji, która wyznacza początek genu, czyli z promotorem.

• Po związaniu z DNA enzym rozdziela jego nici i wybiera jedną z nich jako matrycę do kopiowania. W transkrypcji bierze udział nić „aktywna” ( w DNA występuje również nic pasywna ale ona nie bieże tu udziału w przeciwieństwie do procesu replikacji DNA to zasadnicza różnica pomiędzy tymi procesami, w transkrypcji powstaje jednoniciowa nic RNA komplementarna do aktywnej nici DNA a w replikacji nowa dwu pasmowa nić DNA) Nowo powstała nić RNA ma taką samą sekwencję nukleotydów (tylko zamiast T występuje U) i ten sam kierunek, co jedna z nici DNA. Specyficzna sekwencja nukleotydów na końcu genu sygnalizuje zakończenie transkrypcji i uwolnienie ukończonej nici RNA.

• Powstaje preRNA zawierające introny - odcinki genetycznie nieaktywne i egzony - odcinki genetycznie aktywne.

• PreRNA „dojrzewa”

• Enzymy restrykcyjne wycinają introny

• Ligazy łączą ze sobą we właściwej kolejności odcinki kodujące

• Powstaje matrycowe- informacyjne RNA (mRNA), które przedostaje się przez mikropory w błonie jądrowej do cytoplazmy.

• Powstają również rybosomowy RNA oraz transportujący RNA - nie kodują one białek.

Kod genetyczny  

Liczba nukleotydów w kwasach nukleinowych wynosi 4, a aminokwasów jest 20, dlatego jeden aminokwas jest kodowany prze trzy nukleotydy. Trzy sąsiadujące ze sobą nukleotydy to tryplet stanowiący jeden kodon znak wyraz kodujący jeden aminokwas. Ponieważ znaków trójkowych jest więcej niż 20 (jest ich 64), większość aminokwasów może być kodowana przez więcej niż jeden tryplet. Z reguły pierwszy nukleotyd jest ten sam zmianie ulega najczęściej trzeci a czasem również drugi. Trzy tryplety nie kodują żadnego aminokwasu - to tak zwane tryplety nonsensowne. Sygnalizują zakończenie procesu. Najczęściej jest to UAA.

Cechy kodu genetycznego

• Trójkowy - znakiem kodującym dla jednego aminokwasu są trzy sasiadujące ze sobą nukleotydy (tryplet)

• Bezprzecinkowy- pomiędzy poszczególnymi trypletami brak znaków typu przecinek, przerwa oddzielających je od siebie

• Niejednoznaczny - jeden aminokwas może być kodoany przez więcej niż jeden tryplet

• Uniwersalny - czyli taki sam w świecie istot żywych

• Niezachodzący - ostatni nukleotyd trypletu nie może być pierwszym kolejnego trypletu

• Tryplet nonsensowny - najczęściej UAA sygnalizują zakończenie procesu translacji

Od RNA do białek  

Proces, w którym sekwencja kodonów mRNA jest tłumaczona na sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, jest skomplikowany i składa się z bardzo wielu powtarzających się kroków. Przeprowadzają go struktury cytoplazmatyczne rybosomy - organelle służące do produkcji białek w ramach translacji. Są zbudowane z rRNA i białek. Katalityczna aktywność rybosomu związana jest właśnie z zawartym w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji.

Rybosomy wraz z tRNA tworzą maszynerię, która zamienia sekwencje nukleotydów mRNA na sekwencje aminokwasowe białek.

tRNA - budowa transportującego RNA w budowie przypomina kończynę. Jeden z listów zakończony jest trypletem. Poszczególne czastki tRNA różnia się między sobą tymi trypletami. Ten tryplet nosi nazwę antykodonu. Na przeciwległym końcu tRNA na nici 3̀ znajduje się sekwencja ACCA + OH do której przyłącza się aminokwas.

Przebieg procesu translacji

• Nić mRNA przesuwa się po powierzchni rybosomów

• mRNA przyłacza tRNA w sposób komplementarny

• tRNA „holuje” właściwy aminokwas - właściwy dla trypletu kodującego na nici mRNA

• poszczególne aminokwasy łącza się ze soba za pomocą wiazań peptydowych tworzać łańcuch polipeptydowy, komplementarny do danego fragmentu nici RNA, stanowiącego jeden gen.

• Z chwila oddania aminokwasu tRNA uwalnia się i jest gotowy od nowa podjać swoja transportowa funkcję

(to jest wersja opisowa procesu translacji - proszę to również przyswoić, nie uczyć się na blaszkę tylko zrozumieć proces i uzupełnić w stosunku do punktów podanych powyżej)

       Ciekawą i ważną cechą translacji jest to, że kilka rybosomów może jednocześnie tłumaczyć cząsteczkę mRNA. Po rozpoczęciu translacji mRNA rybosom przesuwa się od AUG służącego jako kodon inicjatorowy i drugi rybosom może rozpoczynać translację od tego samego kodonu start. Gdy i drugi rybosom przesunie się dalej, trzeci i czwarty rybosom kolejno zajmują miejsca na łańcuchu mRNA w tej samej pozycji startowej i podejmują składanie następnych łańcuchów polipeptydowych. Nieco później pierwszy rybosom kończy składanie produktu polipeptydowego i uwalnia go. Jednocześnie z uwolnieniem kompletnego polipeptydu, rybosom odłącza się od mRNA. W tym czasie inne rybosomy zbliżają się już do ukończenia polipeptydów, które budują. W ten sposób w bardzo krótkim czasie na matrycy jednej nici mRNA może powstać wiele identycznych polipeptydów. Nowe polipeptydy zaczynają się zwijać w aktywną postać białka, zanim jeszcze ich synteza zostanie ukończona. W komórce można znaleźć rybosomy związane z mRNA w różnych pozycjach na całej jego długości, ich położenie świadczy o stopniu zaawansowania translacji.        Są dwie ważne reguły dotyczące kierunku translacji: po pierwsze translacja postępuje od 5' do 3' końca mRNA, po drugie białko rośnie od końca aminowego do karboksylowego. Warto pamiętać, że kierunek ważny jest również przy czytaniu zdań. W różnych językach tekst pisze się w różnych kierunkach. Genetycy przyjęli konwencję zgodną z językami europejskimi. Początek „zdania” - 5' koniec mRNA i aminowy koniec polipeptydu - zapisuje się z lewej strony. Zakończenie - 3' koniec mRNA i karboksylowy koniec polipeptydu - są wtedy z prawej strony. Zatem zgodnie z taką konwencją, mRNA jest czytany od lewej ku prawej.

Rysunków proszę nauczyć się schematycznie.

replikacja DNA

---