IMG 1506302349

komórka nio dzioląca bf

roli materiału genetycznego, mimo prostej budowy chemicznej. Geny każdej komórki na Ziemi są utworzone z DNA, a zależność między DNA a genami zrozumiano dzięki doświadczeniom przeprowadzonym na bardzo licznych i rozmaitych organizmach. Następnie rozważymy, w jaki sposób geny i inne ważne segmenty DNA są ułożone w długich cząsteczkach DNA, które znąjdąją się w chromosomach. Na końcu przedyskutujemy, jak komórki eukariotyczne zwijąją te długie cząsteczki DNA i upakowyją je w zwartych chromosomach. Upakowanie to musi się dokonywać w uporządkowany sposób, tak aby chromosomy mogły ulegać replikacji i prawidłowemu rozdzie-

leniu między dwie komórki potomne w trakcie każdego podziału komórkowego. Musi być również zapewniony dostęp do chromosomowego DNA en-

(Al dziel*"** komórka

zymom, które biorą udział w jego naprawie, gdy ulega on uszkodzeniu, a także wyspecjalizowanym białkom, które kierują ekspresją wielu genów.

Jest to pierwszy z pięciu rozdziałów, które dotyczą podstawowych mechanizmów genetycznych — sposobów utrzymywania, powielania (replikacji), wyrażania (ekspresji) i okazjonalnego ulepszania przez komórki informacji genetycznej przenoszonej w ich DNA. W następnym rozdziale (rozdz. 6) przedyskutujemy mechanizmy, za pomocą których komórka prawidłowo replikuje i naprawia DNA; opiszemy również, w jaki sposób sekwencje DNA mogą ulegać rearanżaęji w procesie nazwanym rekombinacją genetyczną. Ekspresja genów — proces, w którym informacja zakodowana w DNA jest wy korzy-

Rys. 5-1. Chromosomy stają się widoczne, kłody komórki przygotowują się do podziału. (A) Dwie sąsiednie komórki roślinne sfotografowane w mikroskopie świetlnym. DNA został wybarwiony fluoryzującym znacznikiem (DAPI) wiążącym się z DNA. DNA znajduje się w chromosomach, które w mikroskopie świetlnym są widoczne tylko wtedy, gdy stają się zwartymi strukturami przygotowanymi do podziałów komórkowych, co widać po lewej stronie rysunku. Nie dzieląca się komórka, widoczna po prawej stronie, zawiera Identyczne chromosomy, ale w tej fazie cyklu życiowego komórki nie są one widoczne w mikroskopie świetlnym, gdyż ich DNA ma znacznie bardziej rozciągniętą konformację. (B) Schemat obu komórek, podkreślający stan Ich chromosomów.

(A dzięki uprzejmości: Peter Shaw)

stywana przez komórkę do kierowania syntezą białek — jest głównym tematem rozdziału 7. W rozdziale 8 opiszemy, jak komórka kontroluje ekspresję genów, tak aby każde z tysięcy białek zakodowanych w jej DNA było wytwarzane w odpowiednim miejscu i czasie w trakcie życia komórki. W rozdziale 9 podejmiemy dyskusję, w jaki sposób geny i genomy współczesnych organizmów wyewoluowały z odległych przodków. Po tych pięciu rozdziałach omawiąjących podstawowe mechanizmy genetyczne, zaprezentujemy zbiór technik eksperymentalnych używanych do badania DNA i roli, którą on spełnia w podstawowych procesach komórkowych (rozdz. 10).

Struktura i funkcja DNA

Na długo zanim biologowie poznali strukturę DNA, zauważyli, że geny są przenoszone na chromosomach, znanych od dziewiętnastego wieku jako niciowate struktury w jądrach komórek eukariotycznych. Struktury tę stawały się widoczne w początkach podziału komórkowego (rys. 5-1). Później, gdy już była możliwa analiza biochemiczna, stwierdzono, że chromosomy skiadąją się z DNA i białek. Na początku nie było jednak jasne, który z tych składników koduje informację genetyczną organizmu.

Obecnie wiemy, że to DNA przenosi dziedziczną informację komórki, a funkcją większości białkowych składników chromosomów jest upakowanie i kontrolowanie niezwykle długich cząsteczek DNA. Ale biologom

w latach czterdziestych dwudziestego wieku trudno było zaakceptować DNA jako materiał genetyczny, ze względu na prostotę jego składu chemicznego (patrz Skąd to wiemy, s. 172-174). DNA wyobrażano sobie po prostu jako długi polimer, zbudowany tylko z czterech rodząjów jednostek monomerycznycb, wzajemnie do siebie podobnych pod względem chemicznym.

We wczesnych latach pięćdziesiątych po raz pierwszy zbadano DNA za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich, tj. techniki wykorzystywanej do określania przestrzennej struktury cząsteczek (opisanej w rozdz. 4, s. 129-131). Wyniki tej analizy pokazały, że DNA składa się z dwóch hełi-kalnie zwiniętych nici. Stwierdzenie, że DNA jest dwuniciowy, miało zasadnicze znaczenie. Zawierało ono jedną z podstawowych wskazówek, które w 1953 r. doprowadziły do przedstawienia poprawnego modelu budowy DNA. Po zaproponowaniu modelu struktury DNA przez Watsona i Cricka natychmiast stało się jasne, w jaki sposób może zachodzić replikacja DNA i jak może być w nim zakodowana informacja.

W tym podrozdziale przedstawimy strukturę cząsteczki DNA i ogólnie wyjaśnimy, dlaczego jest ona zdolna do przechowywania dziedzicznej informacji

Rozdział 5: DNA I chromosomy

Cząsteczka DNA zawiera dwa komplementarne łańcuchy polinukleotydowe

Cząsteczka DNA składa się z dwóch długich łańcuchów polinukleotydowych, określanych jako łańcuchy lub nici DNA. Każdy z tych łańcuchów zbudowany jest z czterech rodzajów podjednostek nukleotydowych, a dwa łańcuchy są ze sobą połączone wiązaniami wodorowymi między zasadami wchodzącymi w skład nukleotydów (rys. 5-2). Jak przedstawiono w rozdziale 2 (panel 2-6, s. 76-77), nukleotydy są to związki zbudowane z pięciowęglowego cukru, do którego przyłączone są jedna lub więcej reszt fosforanowych oraz zasada azotowa. W przypadku nukleotydów w DNA cukrem jest deoksyryboza (stąd nazwa: kwas deoksyrybonukleinowy) związana z jedną resztą fosforanową oraz zasadą: adeniną (A), cytozyną (O, guaniną (G) lub tyminą (T). Nukleotydy są ze sobą połączone wiązaniami kowalencyjnymi w długie łańcuchy przez cukry i fosforany, które tworzą rdzeń, zawierający na przemian reszty cukrowe i fosforanowe (rys. 5-2). Ponieważ poszczególne nukleotydy w pojedynczym łańcuchu DNA różnią się tylko zasadami, można go sobie wyobrazić jako rozciągnięty naszyjnik (rdzeń), zbudowany z jednakowych, powtarzających się ogniw, z których każde jest związane z jednym z czterech różnych koralików (zasady A, C. G lub T). Te same symbole (jednoliterowe skróty nazw) są powszechnie stosowane także do określania czterech różnych nukleotydów, to jest zasad związanych z cukrem i resztą fosforanową.

Sposób łączenia się nukleotydów nadaje łańcuchom DNA polarność chemiczną. Jeśli wyobrazimy sobie, że każdy nukleotyd na jednym końcu zawiera kulkę (fosforan), a na drugim pasujące do niej wgłębienie (rys. 5-2), to łańcuch, powstąjący przez dopasowanie kulki jednego elementu do wgłębienia na końcu drugiego, będzie ciągiem takich elementów, zawsze

elementy korwukcyjn# DNA

fosforan

fosforan zasada cukru

nukleotyd

[oj H [a] LU

d.-.-uniciowy DNA

r

pary zasad

połączone wiązaniami wodorowymi

r

Owuncowa heLsa DNA

rdzeń cukrowo-losforanowy

Rys. 5-2. DNA jest zbudowany z czterech typów nukleotydów. Nukleotydy są kowalencyjnie połączone w łańcuchy polinukleotydowe, zawierające rdzeń cukrowofosforanowy. do którego są przyłączone zasady (A. C, G IT). Cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych (nici DNA) połączonych wiązaniami wodorowymi między zasadami tworzącymi pary. Strzałki przy niciach ONA wskazują ich polarność; dwa łańcuchy w cząsteczce DNA biegną antyrównolegle.

U doki po lewej stronie przedstawiono DNA w postaci rozprostowane); w rzeczywistości jest on skręcony w dwunlclową helisę, jak pokazano po prawej

Struktura I funkcja DNA