Dodaj do listy

Funkcja kwasów nukleinowych, rola mutacji, podstawy genetyki mendlowskiej

  1. Jaką rolę spełniają kwasy nukleinowe w procesach dziedziczenia, biosyntezie białka? Czym są mutacje? Jakie mogą być ich następstwa?

Wszelkie informacje genetyczne dotyczące danego organizmu są zapisane i przechowywane w obrębie specjalnych makrocząsteczek zlokalizowanych w niemal każdej komórce tego organizmu. Są to molekuły chemiczne posiadające znaczne rozmiary, utworzone z niewielkiej ilości podstawowych jednostek, złączonych ze sobą w długie łańcuchy. Wśród kilku rodzajów makrocząsteczek znajdujących się w komórce, jedynie dwa rodzaje mają udział w przechowywaniu oraz przekazywaniu podstawowych informacji genetycznych. Są nimi kwasy nukleinowe - DNA i RNA. Ich cząsteczki utworzone są czterech odmiennych rodzajów nukleotydów, połączonych w długie, nierozgałęzione łańcuchy polinukleotydowe. Sekwencja nukleotydów przekłada się na kolejność występowania aminokwasów w białku, jest więc rodzajem zaszyfrowanej informacji.

Przeważająca większość organizmów, żyjących na Ziemi koduje informacje genetyczne przy pomocy DNA czyli kwasu deoksyrybonukleinowego. Wyjątek od tej reguły stanowi niewielka grupa tzw. retrowirusów, zawierających RNA czyli kwas rybonukleinowy.

DNA czyli kwas dezoksyrybonukleinowy.

Budowa kwasu deoksyrybonukleinowego.

Jedne z pierwszych badań, mających na celu wyjaśnienie budowy DNA prowadził P. Leven. To właśnie on doszedł do wniosku, że molekuła ta, niezależnie od tego z jakich organizmów jest izolowana, zawsze składa się z czterech rodzajów nukleotydów (w przypadku DNA mamy właściwie do czynienia z deoksyrybonukleotydami). Każdy z nich zbudowany jest z trzech zasadniczych elementów: cząsteczki cukru (w przypadku DNA jest to pentoza lub ściślej dezoksyryboza), reszty fosforanowej oraz jednej z czterech zasad azotowych. Te ostatnie są pierścieniowymi związkami organicznymi, w których szkielecie występują atomy azotu. Wśród zasad azotowych występujących w DNA można znaleźć dwupierścieniowe puryny, czyli adeninę (A) i guaninę (G) oraz jednopierścieniowe pirymidyny, czyli tyminę (T) oraz cytozynę (C).

Między nukleotydami, budującymi każdą z dwóch nici DNA, występują wiązania kowalencyjne (fosfodestrowe) powstające między 5 i 3 atomem węgla kolejnych zasad azotowych. W dwuniciowej helisie DNA reszty fosforanowe oraz cukrowe skierowane są na zewnątrz helisy, natomiast zasady azotowe znajdują się w jej środku. Pomiędzy zasadami powstają wiązania wodorowe dodatkowo stabilizujące przestrzenną strukturę helisy.

DNA, poza nielicznymi wyjątkami jest dwuniciowy, jego nici są w stosunku do siebie antyrównoległe. Oznacza to, że biegną równolegle ale są przeciwnie zorientowane. W pojedynczej nici polinukleotydowej kierunek wyznacza się albo od atomu węgla występującego w obrębie pierścienia cząsteczki cukru do atomu węgla znajdującego się w grupie CH2OH, albo na odwrót.

Obie nici polinukleotydowe, budujące cząsteczki DNA są skręcone wokół siebie tworząc strukturę zwaną podwójnym heliksem. Niemal cała helisa DNA jest skręcona w prawą stronę, w taki sposób, że płaszczyzny występujących w jej wnętrzu zasad azotowych ułożone są ułożone są równolegle, jedna ponad drugą. Jeden skręt w helisie jest utworzony przez 10 par nukleotydów.

Utrzymanie stałej odległości pomiędzy oboma łańcuchami polinukleotydowymi, budującymi DNA jest możliwe dzięki oddziaływaniom zachodzącym między zasadami azotowymi. Ich podstawą jest tzw. zasada komplementarności, zgodnie z którą wiązania wodorowe powstają między następującymi parami zasad: adeniną, a tyminą (dwa wiązania wodorowe) oraz guaniną i cytozyną (trzy wiązania wodorowe).

Zasada komplementarności ma fundamentalne znaczenie dla procesów związanych z powielaniem informacji genetycznej. Kolejność nukleotydów w jednej nici DNA, niesie jednocześnie informacje dotyczące ich sekwencji w drugiej, komplementarnej nici. W celu otrzymania dwóch dokładnie takich samych kopii DNA, wystarczy rozpleść jedną cząsteczkę omawianego kwasu i dosyntetyzować do każdej z nici komplementarny łańcuch polinukleotydów.

Organizacja DNA w obrębie chromosomu eukariotycznego.

Chromosomy są strukturami, najlepiej widocznymi podczas metafazy podziału komórkowego, stanowią najwyższy stopień upakowania DNA w komórce. Jego regularne struktury powstają w wyniku połączenia nici DNA z grupą białek zwanych histonami. Są to białka zasadowe, blokujące aktywność DNA. Podstawową jednostkę chromosomu stanowi nukleosom. Jest on tworem białkowym, o kształcie dysku, na który nawinięta jest nić DNA. Twór ten ma charakter oktameru - jest zbudowany z ośmiu cząsteczek białek. W każdym nukleosomie znajdują się więc po dwie cząsteczki histonów: H2A, H2B, H3, i H4. Pomiędzy nukleosomami znajdują się dodatkowe cząsteczki histonów - H1.

Łańcuchy nukleosomów tworzą w jądrze kolejne struktury (solenoid, superhelisę), umożliwiające upakowanie w obrębie jądra komórkowego - tworu o stosunkowo małej średnicy, cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego posiadających pokaźną długość.

Przebieg procesu replikacji DNA.

Każda z cząsteczek DNA niesie w swojej strukturze informację niezbędną do wiernego powielania swoich sekwencji. Mechanizm procesu powielania (replikacji) sprowadza się do rozplecenia podwójnej helisy DNA, a następnie dosyntetyzowaniu do obydwu nici, nowych, komplementarnych łańcuchów DNA.

Wyniki doświadczeń przeprowadzonych przez Meselsona i Stahla dowodzą, że replikacja jest proces semikonserwatywny. Oznacza to, że na matrycy, jaką stanowi każda nici kwasu dezoksyrybonukleinowego syntetyzowana jest druga nić potomna, komplementarna do niej. Rezultatem takiego przebiegu procesu replikacji jest występowanie w każdej, nowej helisie DNA jednego łańcucha polinukleotydowego pochodzącego z nici macierzystej oraz jednego nowego, powstającego podczas powielania cząsteczki. Replikacja rozpoczyna się w ściśle określonym miejscu w obrębie chromosomu. W każdej z nici DNA występuje charakterystyczne miejsce - tzw. origin, czyli miejsce inicjacji replikacji (około 200 - 300 par nukleotydów), z którym może oddziaływać specjalne białko inicjatorowe. W genomach organizmów prokariotycznych występuje tylko jedno takie miejsce. W obrębie znacznie do nich większych genomów eukariotycznych może ich być kilka. Do miejsca inicjacji replikacji, za pośrednictwem wspomnianego już białka inicjatorowego, dołączają się także inne enzymy Enzymy białkowe biokatalizatory, zwiększające szybkość reakcji biochemicznych na drodze specyficznej aktywacji substratów. Enzymy obniżają energię aktywacji reakcji chemicznych i w efekcie zwiększają... Czytaj dalej Słownik biologiczny konieczne do kontynuacji procesu powielania DNA, tworząc tzw. kompleks replikacyjny.

Jednym z tych enzymów jest helikaza. Enzym ten wykorzystując energię z ATP, tak zmienia konformację cząsteczek DNA, że wiązania wodorowe występujące między zasadami azotowymi ulegają rozerwaniu i w ten sposób powstają tzw. widełki replikacyjne.

kolejnym enzymem, spełniającym bodaj najważniejszą funkcję, jest polimeraza DNA. Katalizuje ona przyłączanie kolejnych nukleotydów do nowo syntetyzowanej nici DNA. Reakcja syntezy przebiega w kierunku 5' ® 3' (odwrotnie niż proces odczytywania matrycy). Polimeraza DNA ma jedynie zdolność przyłączania nowych nukleotydów do istniejącej już nici. Nie jest więc w stanie rozpocząć replikacji DNA. Muszą zatem istnieć w komórce dodatkowe enzymy, które będą rozpoczynały syntezę. Zadanie to wypełniają polimerazy RNA zależne od DNA czyli primazy. Enzymy te syntetyzuje krótkie, kilkunukleotydowe fragmenty RNA zwane starterami lub primerami. Do starterów polimeraza DNA może bez przeszkód dołączać kolejne nukleotydy. Pod koniec replikacji fragmenty te są wycinane z nici DNA przez odpowiednie enzymy - polimerazy DNA o aktywności endonukleazy. U E. coli funkcję tą spełnia tzw. polimeraza Kornberga.

Ponieważ, jak już wspomniano, nici w cząsteczce DNA są antyrównoległe, a replikacja może przebiegać tylko w jednym kierunku, to tylko jedna z nici może być syntetyzowana w sposób ciągły. Jest on nazywana nicią prowadzącą. Na drugiej nici powstają, liczące około 100 do 1000 nukleotydów odcinki nukleotydów nazywane fragmentami Okazaki. Są one łączone w ciągłą nić przy udziale ligaz. Enzymy te katalizują również powstawanie wiązań wodorowych między zasadami azotowymi dwu nici DNA. Powstanie wiązań wodorowych stabilizuje cząsteczkę DNA i zamyka proces replikacji.

Ilość błędów powstających w trakcie procesu powielania cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego jest niezwykle mała. Zwykle na każdy miliard nukleotydów tylko jeden jest wstawiony niepoprawnie. Tak duża wierność w procesie powielania DNA jest rezultatem istnienia w komórce szczególnych mechanizmów korekcyjnych, dzięki którym mylnie wstawione nukleotydy są bardzo szybko odnajdywane i usuwane z syntetyzowanego łańcucha. U bakterii takiej korekty dokonuje enzym zwany polimerazą DNA. Może ona rozpoznać, a następnie wyciąć nieprawidłowo wstawione nukleotydy.

RNA czyli kwas rybonukleinowy.

Informacje dotyczące budowy organizmu zapisana są w obrębie DNA. Należy jednak pamiętać, że organizm to głównie cząsteczki białka. W pewnym uproszczeniu można stwierdzić, że droga jaką informacja genetyczna musi pokonać aby uwidoczniła się w postaci fenotypu, odpowiada drodze jaka istnieje pomiędzy cząsteczką DNA, a cząsteczką białka. W czasie tej "wędrówki" jest ona przekształcana dwa razy. Po pierwsze w czasie przepisywania DNA na RNA, czyli w procesie transkrypcji. Po drugie wtedy, kiedy jest "tłumaczona z języka nukleotydów na język aminokwasów", czyli podczas procesu translacji (właściwej biosyntezy białka).

Sytuacją tą można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

DNA ® transkrypcja ® RNA ® translacja ® białko.

Budowa kwasu rybonukleinowego (RNA).

W przetwarzaniu informacji genetycznej z sekwencji nukleotydów na kolejność aminokwasów niezbędne są kwasy rybonukleinowe.

Pod względem budowy chemicznej cząsteczki DNA oraz RNA są do siebie zbliżone. Można jednak zauważyć kilka różnic. Pierwszą z nich jest występowanie w RNA cząsteczki rybozy, a nie jak w DNA dozoksyrybozy. W cząsteczkach RNA nigdy nie występuje tymina. Zamiast niej do łańcucha nukleotydoweego wbudowywany jest uracyl (U). Oddziałuje on komplementarnie z adeniną. Ponad to RNA zwykle występuje w postaci pojedynczej nici, czasami może dochodzić do komplementarnego parowania o obrębie określonych odcinków danej cząsteczki RNA.

Jeżeli odcinki komplementarne są odseparowane od siebie sekwencjami niekomplementarnymi, wtedy w obrębie pojedynczej cząsteczki RNA mogą one utworzyć podwójny heliks, zakończony pętlą, powstającą z odcinka niekomplementarnego. Dlatego właśnie cząsteczki RNA mogą przybierać zróżnicowane kształty.

Kwasy rybonukleinowe, występujące w komórce można podzielić na trzy rodzaje. Pierwszym z nich jest matrycowy (informacyjny) RNA - mRNA. Jego funkcją jest przenoszenie informację z DNA wprost na białko. Drugim rodzajem jest RNA transportujący - tRNA. Ma zdecydowanie najoryginalniejszą budowę z pośród wszystkich rodzajów kwasów rybonukleinowych. Jego struktura przypomina koniczynkę, natomiast zadanie polega na dostarczaniu aminokwasów na rybosomy. Kolejny rodzaj RNA to tzw. rybosomowy RNA czyli rRNA. Jego cząsteczki wspólnie z grupą białek budują rybosomy.

Przebieg procesu transkrypcji.

Istotą procesu transkrypcji jest "przepisanie" informacji genetycznej z DNA na cząsteczkę jednoniciowego mRNA. Process ten przypomina w pewnym stopniu replikację. Jego podstawą jest reguła komlementarości zasad azotowych, w której uwzględnić należy różnicę wynikającą z budowy RNA, a mianowicie wbudowywanie do jego łańcucha uracylu zamiast tyminy. Wynika z tego, że sekwencja nukleotydów w powstającym łańcuchu polinukleotydowym RNA jest jasno określona za pomocą kolejności nukleotydów w matrycowej nici DNA.

Transkrypcję katalizuje enzym - poilmeraza RNA zależna od DNA. Rozpoczęcie procesu polega na związaniu się wspomnianego enzymu do odcinka promotorowego, znajdującego się na nici DNA. Jednym z jej zadań jest ułatwienie rozdzielenia helisy DNA co nazywamy topnieniem. Po rozsunięciu nici DNA rozpoczyna się proces elongacji, polegający na dołączaniu kolejnych nukleotydów i łączeniu ich między sobą. Polimeraza RNA systematycznie przesuwa się wzdłuż cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego, powodując jego lokalne topnienie i jednocześnie wydłużając nić mRNA. Synteza zachodzi w kierunku od 5' do 3'. Powstający podczas elongacji hybrydowy kompleks nici DNA i RNA stopniowo rozdziela się, a nić DNA powraca do swojej pierwotnej konformacji. Etap elongacji kończy się w chwili kiedy polimeraza RNA napotka na skanowanej nici DNA sygnał końca transkrypcji. Wtedy cząsteczka enzymu oddysocjowuje od kompleksu NDA - RNA, a on sam rozpada się. Opisany przebieg transkrypcji w dużym uproszczeniu odpowiada temu co zachodzi w komórkach organizmów prokariotycznych. U Eucaryota, w związku ze znacznym skomplikowaniem organizacyjnym cząsteczek DNA, transkrypcja przebiega nieco inaczej.

Jedną z takich różnic jest potranskrypcyjna obróbka RNA. U Eucaryota pierwotny transkrypt zazwyczaj nie przypomina dojrzałej cząsteczki mRNA. Dzieje się tak dlatego, że w obrębie cząsteczki DNA kodującej dany polipeptyd naprzemiennie ułożone są dwa rodzaje obszarów. Jedne z nich niosą w sobie informację o sekwencji aminokwasów w białkach. Są to sekwencje kodujące, nazywane ekzonami. Drugie nie zawierają takich informacji i spełniają prawdopodobnie funkcje stabilizacyjne oraz kontrolne. Są to sekwencje niekodujące, czyli introny. Polimeraza RNA skanując nić DNA nie pomija intronów i dlatego muszą one zostać wycięte przez odpowiednie enzymy po ukończeniu transkrypcji. Proces "składania" genów w jedną całość często bywa określany angielskim słowem splicing.

Innym rodzajem obróbki potranskrypcyjnej jest modyfikacja końców cząsteczki mRNA. Do jej końca 3' dołączana jest kilkunastonukleotydowa sekwencja złożona z nukleotydów adeninowych, tzw. poli A. Do końca 5' natomiast przyłączana jest tzw. czapeczka. Tego rodzaju modyfikacja ma na celu ochronę nowo powstałej cząsteczki mRNA przed rozkładem przez cytoplazmatyczne egzonukleazy.

Składnikami białek są aminokwasy.

Różnice chemiczne występujące pomiędzy cząsteczkami nukleotydów nie są tak duże jak te, które można zauważyć między cząsteczkami poszczególnych aminokwasów, stanowiących podstawowy budulec polipeptydów. Mimo to w budowie wszystkich aminokwasów występuje pewien schemat. Centrum każdej z cząsteczek stanowi czterowartościowy atom węgla. Każde z wiązań jest zajęte przez odpowiedni podstawnik. Wśród nich zawsze występują atom wodoru, grupa -COOH i -NH2. podstawnikiem, który różnicuje między sobą cząsteczki aminokwasów jest łańcuch boczny. Może on mieć charakter kwaśny bądź zasadowy, wykazywać powinowactwo do wody lub nie. Łańcuch boczne aminokwasów mają decydujący wpływ na przestrzenną strukturę cząsteczek białka. Kolejne aminokwasy Aminokwasy związki organiczne o ogólnym wzorze RCH (NH2) COOH, zawierające w cząsteczce dwie grupy funkcyjne: karboksylową (-COOH) i aminową (-NH2). R - to podstawnik boczny, inny dla każdego z 20 aminokwasów wchodzących... Czytaj dalej Słownik biologiczny w łańcuchu polipeptydowym łączą się ze sobą tzw. wiązaniami polipeptydowymi.

Cechy kodu genetycznego.

Kod genetyczny jest sposobem determinacji aminokwasów w białku przez kontrolujący jego syntezę fragment DNA, zwany cistronem. Jednym z badaczy zajmujących się rozszyfrowaniem zasad rządzących przekładem informacji z zapisu nukleotydowego na aminokwasowy był Amerykanin George Gamow. Doszedł on do następujących wniosków:

  1. kod genetyczny jest trójkowy - trzy kolejne nukleotydy w RNA wyznaczają jeden aminokwas. Trójki nukleotydów wyznaczających aminokwas to triplety lub inaczej kodony,
  2. kod jest zdegradowany, czyli niejednoznaczny - z czterech nukleotydów mogą powstać 64 kombinacje tripletów (43 = 64), w przyrodzie występuje 20 podstawowych aminokwasów, wynika z tego, że jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek np. seryna: UCC, UCU, UCG,
  3. kod jest uniwersalny, czyli powszechny - dany kodon wyznacza określony aminokwas u wszystkich organizmów (istnieją wyjątki w odczytywaniu aminokwasów np. w mitochondriach),
  4. kod genetyczny jest kodem niezachodzącym - nukleotyd wchodzący w skład jednego tripletu nie może wchodzić w skład innego,
  5. kod jest bezprzecinkowy - pomiędzy kolejnymi, następującymi po sobie trójkami nukleotydów nie występują żadne przerwy w zapisie,
  6. jest on zawsze odczytywany od miejsc inicjalnych do terminalnych. Jeżeli w obrębie kodu pojawią się odpowiednie trójki nie kodujące aminokwasów (UAA, UAG, UGA) jego odczytywanie zostaje zakończone.

Przebieg procesu translacji.

Proces ten ma jest umiejscowiony w szorstkim retikulum endoplazmatycznym. Biosynteza białka (translacja) jest procesem, w którym powstały po transkrypcji informacyjny RNA (mRNA) opuszcza jądro komórkowe, przyłącza się do rybosomów znajdujących się w cytoplazmie, stanowiąc matrycę (instrukcję), zgodnie z którą aminokwasy zawieszone w cytoplazmie są łączone w określonej kolejności, tworząc łańcuch polipeptydowy. W DNA zawarta jest jedynie informacja dotycząca sekwencji aminokwasów. Informacja ta w zupełności wystarcza do tego, aby białko zostało prawidłowo złożone i sfałdowane, a więc uzyskało właściwą sobie aktywność biologiczną. Formowanie struktury przestrzennej proteiny jest bowiem warunkowane jedynie właściwościami chemicznymi tworzących ją aminokwasów i dlatego w matrycy nie są zapisywane dodatkowe informacje dotyczące jej konformacji przestrzennej.

Translacja jest procesem dwuetapowym. W pierwszej fazie informacja dotycząca sekwencji aminokwasów jest przepisywana z DNA na RNA. Proces ten nazywamy transkrypcją i przypomina on nieco replikację. Powstający w jej wyniku odcinek RNA nazywany jest transkryptem pierwotnym. U organizmów prokariotycznych jest on niemal gotowym mRNA i podlega tylko nieznacznej obróbce. U eukariontów natomiast potranskrypcyjna obróbka RNA ma bardziej złożony charakter. Po pierwsze wycinane są z niego odcinki nie niosące informacji o sekwencji aminokwasowej czyli introny. Po drugie do obu jego końców dodawane są cząsteczki modyfikujące je. Do końca 5' dodawana jest tzw. czapeczka, natomiast do końca 3' kilkunastonukleotydowa sekwencja nukleotydów adeninowych czyli poli A. Modyfikacje te mają zapobiec strawieniu RNA przez rybonukleazy po tym jak opuści on jądro komórkowe. Tak przygotowana matryca jest eksportowana do cytoplazmy, gdzie zachodzi drugi etap syntezy białka - łączenie aminokwasów.

Zanim jednak aminokwasy zostaną ze sobą połączone muszą być odpowiednio aktywowane. Do tego celu wykorzystywany jest wysokoenergetyczny związek ATP (adenozynotrifosforan). Proces aktywacji zachodzi według schematu:

ATP + aminokwas ® aminoacylo - AMP + 2 Pi

Aktywny aminokwas łączy się następnie z cząsteczką transportującego RNA (tRNA). Reakcja ta zachodzi w następujący sposób:

aminoacylo - AMP + tRNA ® aminoacylo - tRNA + AMP

Cząsteczki aminoacylo - tRNAłączą się następnie w kolejności określonej przez matrycę mRNA w łańcuch polipeptydowy. Reakcja te zachodzi w cytoplazmie, na rybosomach. Można więc stwierdzić, że istota translacji sprowadza się do tłumaczenia informacji zapisanej w "języku" nukleotydów na "język" aminokwasów.

W przebiegu biosyntezy białka można wyróżnić trzy podstawowe etapy:

  • Inicjacja translacji - mRNA po przejściu do cytoplazmy łączy się z mniejszą podjednostką rybosomu. Połączenie rozpoczyna się w miejscu, w którym na nici mRNA zostanie odnaleziona trójka AUG, kodująca aminokwas metioninę (u Procariota jest to formylometionina). Wtedy przyłącza się tRNA z metioniną w kodonie i trójką AUG w antykodonie. Połączenie to jest katalizowane przez IF3, Mg2+ oraz ATP. W obrębie małej podjednostki rybosomu zlokalizowane jest tzw. miejsce P (peptydowe), czyli miejsce, w którym występuje łańcuch polipeptydowy, a w chwili inicjacji metionylo - tRNA oraz miejsce A (aminokwasowe), do którego przyłączają się kolejne cząsteczki tRNA z odpowiednim aminokwasem,
  • Elongacja - rozpoczyna się w chwili gdy do miejsca A na rybosomie przyłączy się odpowiednie aa-tRNA. Między niesionymi przez obie cząsteczki tRNA aminokwasami powstaje wiązanie peptydowe, oswobodzone metionylo - tRNA zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy. Cząsteczka tRNA z połączonymi dwoma aminokwasami (peptydylo - tRNA) przemieszcza się z miejsca A do wolnego miejsca P. jest to tzw. translokacja. W tym samym czasie nić mRNA również przesuwa się o trzy nukleotydy, dzięki czemu w miejsce A zostaje wprowadzona kolejna trójka nukleotydów, a cały proces zaczyna się od nowa,
  • Terminacja - odbywa się jeżeli w miejsce aminokwasowe, wsunie się jeden z tzw. kodonów nonsensownych, czyli UAA, UGA lub UAG. W normalnych warunkach w komórce nie istnieje taki tRNA, który rozpoznałby któryś z wyżej wymienionych kodonów. Znajdują się natomiast białkowe czynniki uwalniające, wiążące się z trójką nonsensowną w miejscu A. Następstwem tej interakcji jest hydroliza wiązania między tRNA i połączonym z nim peptydem (reakcja katalizowana przez transferazę peptydylową), w wyniku której białko zostaje uwolnione, cząsteczka tRNA oddziela się od mRNA, a rybosom dysocjuje na podjednostki.

Geny.

Gen jest jednostką informacji genetycznej. Definicja genu ewoluowała w ciągu wielu lat. Pierwsze sugestie co do tego, że informacja genetyczna składa się z odpowiednich jednostek wysunął Grzegorz Mendel: wprowadził on pojęcie zawiązka cechy. Na podstawie obserwacji oka Drosophila melanogaster - muszki owocowej sugerowano, iż wynikiem molekularnego działania analizowanych genów są enzymy uczestniczące w syntezie barwnika warunkującego wystąpienie brązowych oczu u muszki owocowej. W związku z tym pojęcie gen odnosiło się do jednostki materiału genetycznego, warunkującej syntezę pojedynczego enzymu. Niebawem stwierdzono jednak się, że nie każdy produkt genu to enzym. Badaczem, zajmującym się studiowaniem różnic występujących pomiędzy prawidłową oraz nieprawidłową formą cząsteczek hemoglobiny u chorych z anemią sierpowatą, był Ingram. Doszedł on do wniosku, że przyczyną różnicy między tymi formami jest zmiana pojedynczego aminokwasu w obrębie jednego łańcucha polipeptydowego. Wnioski te przyczyniły się do sformułowania kolejnej, niemal uniwersalnej definicji genu. Autorem tej definicji jest Johannsen. Według niego gen to podstawowa jednostka dziedziczności niosąca w sobie informacje o budowie pojedynczego łańcucha polipeptydowego. Wyjątkiem od tej definicji są cząsteczki RNA nie podlegające translacji.

Geny mogą być podzielone (i zawierać w swojej strukturze introny i eksony) oraz nakładające się.

Geny nakładające się występują u niektórych małych wirusów. Zjawisko nakładania się genów polega na wykorzystaniu jednej sekwencji nukleotydów do kodowania odmiennych łańcuchów białkowych. Odczytywanie zapisów dla dwóch różnych łańcuchów polipeptydowych rozpoczyna się w miejscach przesuniętych o jeden nukleotyd.

Zjawisko regulacji ekspresji genów.

1. Regulacja procesu transkrypcji na zasadzie oddziaływania cząsteczek białka i nici DNA.

Tego typu regulacja może zachodzić na dwa sposoby:

  • regulacja negatywna - polega na przyłączeniu białka regulatorowego w okolicy promotora w taki sposób, aby zapobiegało ono powstaniu interakcji między polimerazą RNA, a cząsteczką kwasu nukleinowego nie dopuszczało tym samym do rozpoczęcia transkrypcji,
  • regulacja pozytywna - obecność białka regulatorowego warunkuje rozpoznanie sekwencji promotorowej przez polimerazę RNA.

2. Regulacja ekspresji genów w komórkach bakterii na przykładzie operonu laktozowego.

Operon laktozowy jest grupą genów odpowiedzialnych za przemiany laktozy. W jego skład wchodzą dokładnie trzy geny: permeaza (przyswajanie laktozy przez komórki bakterii), ß-galaktozydaza (katalizuje rozkład laktozy na glukozę i galaktozę) i transacetylaza (przekształca glukozę w galaktozę).

Operon laktozowy umożliwia ekonomiczne gospodarowanie komórki (oszczędzanie energii) w momencie pojawienia się pokarmu w podłożu. Jest to system kontroli typu negatywnego czyli jest blokowany przez białko represorowe. Makrocząsteczką regulatorową dla operonu laktozowego (represor Lac) jest białko kodowane przez gen lac I, znajdujący się w pobliżu omawianego operonu i stale transkrybowany z niską efektywnością. Cząsteczka ta składa się z czterech identycznych podjednostek, a każda z nich ma miejsce wiążące sekwencję operatorową i miejsce wiążące induktor. Induktorem może być cząsteczka laktozy lub inny ß-galaktozyd. Represor Lac może się wiązać z operatorem jedynie pod nieobecność laktozy. Kiedy w środowisku pojawia się laktoza łączy się ona z cząsteczką represora wywołując w nim taką zmianę allosteryczną, która uniemożliwia wiązanie do operatora w operonie laktozowym. W tej sytuacji polimeraza RNA może rozpocząć skanowanie nici DNA i rozpoczyna się transkrypcja oraz translacja. Powstają białka niezbędne do rozkładu cząsteczek laktozy. Jeżeli cząsteczki tego cukru nie występują w środowisku bakteria nie musi syntetyzować enzymów. Białko represorowe jest związane z operatorem uniemożliwiając transkrypcję genów kodujących wspomniane enzymy.

Mutacje.

Mechanizmy odpowiedzialne za naprawę uszkodzeń powstałych w nici DNA.

Sposób usuwania mutacji z łańcucha polinukleotydowego zostanie zaprezentowany na przykładzie mechanizmów odpowiedzialnych za korygowanie uszkodzeń powstających w helisie DNA pod wpływem promieni UV. W omawianym przypadku powstają głównie fotodimery pirymidyn (tymidyna - tymidyna lub tymidyna - cytozyna). Dimery te zatrzymują włączanie przez polimerazę kolejnych nukleotydów w procesie replikacji, co powoduje fragmentację DNA i wystąpienie efektu letalnego. Znane są dwa mechanizmy usuwania tego typu uszkodzeń. Pierwszy z nich to fotoreaktywacja, zachodząca pod wpływem światła widzialnego. Jej skutkiem jest rozłączenie fotodimerów na monomery. Drugi to naprawa przez wycinanie. Proces ten jest niezależny od światła widzialnego i zaangażowane są w nim cztery Cztery Liczba cztery symbolizuje wszechświat materialny, cztery pory roku, cztery strony świata, cztery kwadry księżyca, cztery wiatry, cztery wieki ludzkości, cztery rzeki Hadesu, cztery konie Apokalipsy,... Czytaj dalej Słownik symboli literackich białka enzymatyczne kodowane przez geny: uvr A, uvr B, uvr C i uvr D. Białko kodowane przez gen uvr A rozpoznaje deformację w łańcuchu DNA wywołaną obecnością dimeru. Białka kodowane przez geny uvr B i C przecinają łańcuch DNA w pobliżu dimeru, a białko kodowane przez uvrD (helikaza) rozkręca łańcuch DNA i umożliwia tym samym usunięcie wyciętego odcinka. Brakujące nukleotydy są uzupełniane przez polimerazę i łączone przez ligazę z resztą łańcucha polinukleotydowego.

Mutacją nazywamy dziedziczną zmianę powstającą nagle, skokowo w skutek zmiany genu w jego nowy allel, bądź zmiany struktury chromosomu. Zmiana ta nie musi się przejawiać fenotypowo, choć czasem istnieją różnice między formą potomną, a wyjściową. Wyróżnia się następujące rodzaje mutacji:

  1. Mutacje punktowe, zwane genowymi - to każda zmiana sekwencji nukleotydów w obrębie genu, zalicza się tu:
  • tranzycję - zamianę puryny na inna purynę albo pirymidyny na inną pirymidynę,
  • transwersję - zamianę puryny na pirymidynę lub odwrotnie,
  • delecję - wypadnięcie pary lub kilku par nukleotydów,
  • insercję - dodanie pary lub kilku par nukleotydów,
  • mutacje typu zmiany sensu - kiedy zmienia się kodon kodujący aminokwas, mimo to białko może pozostać niezmienione. Przyczyną tego typu mutacji jest tranzycja lub transwersja.
  • mutacje typu nonsensu - jeśli kodon kodujący aminokwas zostaje zmieniony na kodon terminacyjan,
  • mutacje zmiany fazy odczytu - powstają na skutek delecji lub insrecji i jak wskazuje nazwa prowadzą do zmiany fazy odczytu.
  1. Mutacje chromosomowe struktury - polegają na zmianie w układzie genów w chromosomach. Wyróżniamy cztery rodzaje tego typu mutacji:
  • deficjencja - ubytek fragmentu chromosomu wraz z zawartymi w nich genami, np.:

CHROMOSOM ® deficjencja ® CHROMOM

  • duplikacja - dwukrotne powtórzenie odcinka w obrębie chromosomu np.:

CHROMOSOM ® duplikacja Duplikacja aberracja chromosomowa strukturalna. Rodzaj mutacji chromosomowej, skutkiem której jest podwojenie fragmentu chromosomu. Gdyby wyjściowy chromosom miał zapis "GENETYKA", to duplikację można zilustrować... Czytaj dalej Słownik biologiczny ® CHROMOSOSOM

  • translokacja - polega na przyłączeniu odcinka chromosomu do chromosomu niechomologicznego np.:
CHROMOSOM

® translokacja ® MUTACJASOM

MUTACJA
  • inwersja - przecięcie odcinka chromosomu w dwóch miejscach i obrócenie go o 180° np.:

CHROMOSOM ® inwersja ®CHOMORSOM

Mutacje te mogą zachodzić w czasie mejozy lub mitozy, a ich konsekwencją jest brak narządu lub jakiejś cechy.

  1. Mutacje genowe, chromosomowe liczbowe - polegają na zwiększeniu lub powieleniu garnituru chromosomowego. W ich wyniku powstają:
  • aneuploidy - organizmy, u których nastąpiło odejście od diploidalnej liczby chromosomów na skutek nierozejścia się pary chromosomów homologicznych do przeciwległych biegunów komórki. Zjawisko to nosi nazwę nondysjunkcji. Genomy aneuploidów można opisać wzorem:
  • 2n +/- x
  • gdzie x- liczba chromosomów, np.: 2n - 1 - monosomik, 2n + 1 - trisomik (zespół Downa), 2n - 2 - nullisomik, 2n + 2 - tetrasomink (dwie ostatnie mutacje są letalne)
  • euploidy- organizmy, u których nastąpiło zwielokrotnienie całego garnituru chromosomowego, u ludzi zjawisko to jest niemożliwe - zarodek umiera w fazie zygoty. U roślin tego typu osobniki są zazwyczaj wysokoplenne, mogą to być autopoliploidy, czyli organizmy, które zwielokrotniły własny garnitur chromosomowy lub allopoliploidy, czyli organizmy, które uzyskały zwielokrotniony garnitur od swoich rodziców.

Choroby powstające pod wpływem mutacji punktowych:

    • galaktozemia: defekt jednego z enzymów katalizującego włączanie galaktozy w cykl przemian metabolicznych. Objawami są: niedorozwój umysłowy i fizyczny, niski wzrost,
    • fenyloketonuria: zaburzenia w szlaku metabolicznych przemian fenyloalaniny. Objawy: zaburzenia ruchowe, w rozwoju fizycznym oraz umysłowym,
    • albinizmbielactwo Bielactwo ALBINIZM.
      Czytaj dalej Słownik biologiczny
      wrodzone: brak enzymu tyrozynazy. Objawy: jasna skóra, białe włosy i różowe, czerwone lub niebieskie tęczówki,
    • alkaptonuria: brak oksygenazy homogentyzynianowej, odpowiedzialnej za przekształcanie kwasu homogentyzynowego. Objawy: ciemnienie moczu na powietrzu, ciemnienie i stany zapalne chrząstek stawowych.

Choroby powstające pod wpływem mutacji genomowych:

  • Zespół Downa - trisomia 21 pary chromosomu, czasem dochodzi do translokacji chromosomu 14 na jeden wolny 21. w tym ostatnim przypadku ludzie nie mają typowych objawów chorobowych, występujących u osób z właściwym Zespołem Downa, czyli: nieco zdeformowanej, szerokiej twarzy, z charakterystycznym fałdem skórnym na powiece oka, zmienionych dłoni, niedorozwoju fizycznego i umysłowego,
  • zespół Klinefeltera - trisomia, mężczyźni mają dodatkowy chromosom Chromosom podziałowa postać materiału genetycznego. Chromosomy stają się widoczne pod mikroskopem świetlnym podczas kariokinezy, kiedy chromatyna ulega spiralizacji. Maksymalną kondensację chromosomy osiągają... Czytaj dalej Słownik biologiczny X. Cechuje ich wysoki wzrost, kobieca budowa klatki piersiowej i miednicy, obniżona płodność,
  • zespół Turnera - monosomia, dotyczy kobiet, fenotypowo są one niedorozwinięte, bezpłodne kobiety, nie mające ciałka Barra w komórkach, o wzroście do 120 cm,
  • Chromosom filadelfijskidelecja Delecja mutacja genowa (punktowa) lub chromosomowa. Delecja w genie polega na wypadnięciu pary lub kilku par nukleotydów DNA. Ponieważ kod genetyczny jest odczytywany trójka po trójce, to jeśli z nici DNA wypadnie... Czytaj dalej Słownik biologiczny jednego z ramion 21 chromosomu. Objawy: przewlekła białaczka granulocytarna.

Mutacje mogą być indukowane przez szereg czynników m. in.:

  • promieniowanie jonizujące, rentgenowskie, ultrafioletowe,
  • protony i neutrony emitowane podczas rozkładu pierwiastków promieniotwórczych,
  • związki będące analogami zasad azotowych np. bromouracyl jako analog tyminy lub aminopuryna jako analog adeniny,
  • kwas azotowy,
  • wysoka temperatura,
  • barwniki akrydynowe - rozsuwanie łańcucha nukleotydów,
  • benzopiren występujący w dymie tytoniowym,
  • gazy bojowe, np. iperyt,
  • kolchicyna - uniemożliwia działanie wrzeciona kariokinetycznego, może być stosowany w trakcie procesu poliploidyzacji u roślin.

Podstawy inżynierii genetycznej.

Inżynierię genetyczną można w najprostszy sposób określić jako zespół technik badawczych pozwalających na wyizolowanie i charakterystykę określonych genów oraz na wprowadzanie do nich zmian. Zmiany dokonane w obrębie genu lub nowo wprowadzone geny powinny zachowywać się w taki sam sposób jak geny naturalnie występujące w komórce. Muszą więc ulegać replikacji i jeśli zachodzi taka potrzeba oraz możliwość ekspresji. Niżej zostanie zamieszczony opis kilku technik inżynierii genetycznej.

Klonowanie genu polega na wstawieniu fragmentu DNA zawierającego gen do wektora, a następnie namnożeniu zrekombinowanej cząsteczki w organizmie gospodarza.

Aby wprowadzić gen do genomu bakterii lub organizmów eukariotycznych należy zastosować odpowiednie wektory. Wektory stosowane do wprowadzania genów do komórek bakterii można podzielić na dwie grupy: wektory plazmidowe lub fagowe. Plazmidy są kolistymi cząsteczkami DNA występującymi w komórkach bakterii obok właściwego genomu. Aby były one użyteczne jako wektory muszą zawierać sekwencje rozpoznawane przez określony enzym restrykcyjny. Po przecięciu plazmidu oraz badanego DNA tym samym enzymem można fragmenty tego DNA połączyć z DNA plazmidu. We współczesnych wektorach zazwyczaj znajduje się sekwencja zwana polilinkerem, zawierająca sekwencje nukleotydów rozpoznawane i cięte przez różne enzymy restrykcyjne. Dzięki temu można dobrać optymalny układ do planowanego doświadczenia. Aby zapobiec łączeniu się pustych plazmidów, można przecinać cząsteczki plazmidu i DNA dwoma rożnymi enzymami restrykcyjnymi. W takim układzie cząsteczka plazmidu nie będzie mogła zamknąć się sama. Kolejna metoda polega na przecięciu plazmidu i obcego DNA restryktazą dającą tzw. tępe końce. Jeżeli później dołączymy do dwóch końców obcego DNA chemicznie syntetyzowane końce poli - A, natomiast do końców przeciętego plazmidu odcinki poli - T, to po wymieszaniu obu typów cząsteczek powinny się one połączyć w żądanej orientacji.

Drugim typem wektorów są wektory fagowe. W tym przypadku wykorzystuje się fakt, że fagi wnikają do komórek bakterii i wprowadzają do ich genomu własny DNA, a następnie namarzają się w ich komórkach. Ograniczeniem jest tu zwykle wielkość genu, który chcemy wprowadzić - białkowa otoczka wokół genomu faga ma ograniczoną pojemność. Z połączenia plazmidów i wektorów fagowych powstały tzw. kosmidy. Są to plazmidy wzbogacone w sekwencję cos, pozwalającą na zapakowanie ich do otoczki fagowej i wprowadzenie do komórki bakteryjnej.

Istotną cechą wektorów jest to, że muszą posiadać cechy pozwalające na dokonanie selekcji komórek do których wniknął. Najprostszą metodą jest umieszczenie w wektorze oprócz genu, który chcemy sklonować, dodatkowego genu niosącego oporność na antybiotyk. Po wprowadzeniu takich wektorów do komórek bakteryjnych, można je wysiać na podłoże zawierające antybiotyk, na który powinny być oporne bakterie Bakterie organizmy jednokomórkowe niekiedy tworzące układy zbudowane z kilku luźno ze sobą związanych komórek. Zaliczane są do królestwa Monera. Wielkość bakterii wynosi od 0,2 do kilkudziesięciu µm.... Czytaj dalej Słownik biologiczny niosące w swoich komórkach wektor. Jeśli go zawierają wyrosną na tym podłożu, jeśli nie, z ich komórek nie powstaną kolonie.

Metody wprowadzania obcego DNA do komórek eukariotycznych są nieco bardziej skomplikowane.

Genetyka wg Grzegorza Mendla.

Terminem genetyka mendlowska określa się fundamentalne reguły dziedziczenia cech, opracowane przez Grzegorza Mendela. Ich podstawę stanowi proces powstawania gamet, zachodzący w trakcie mejozy.

Powstawanie komórek generatywnych (gamet).

W jądrze każdej diploidalnej komórki w organizmie znajdują się pary chromosomów homologicznych. Każdy z nich utworzony jest przez dwie chromatydy siostrzane. Podczas pierwszego podziału mejotycznego zachodzi rozdział całych chromosomów, natomiast w drugim podziale mejotycznym do komórek potomnych wędruje jedna z dwu chromatyd siostrzanych każdego z chromosomów. W następstwie mejozy powstają cztery komórki potomne, każda z haploidalnym garniturem chromosomów. Komórki te to gamety. Po ich połączeniu powstają komórki diploidalne.

Podstawowe definicje z genetyki:

- allele - dwie formy tego samego genu, leżące w tych samych miejscach na chromosomach homologicznych,

- allele recesywne - ujawniają się jedynie u homozygot,

- heterozygota - osobnik (komórka) posiadająca różne allele Allele różne formy tego samego genu. Zajmują to samo miejsce (locus) w chromosomach homologicznych, ale wywołują odmienne wykształcenie tej samej cechy, np. żółta lub zielona barwa nasion grochu. Grzegorz... Czytaj dalej Słownik biologiczny tego samego genu, wytwarza gamety zróżnicowane pod względem składu genetycznego,

- homozygota - osobnik (komórka) posiadająca jednakowe allele dla danego genu, wytwarzają gamety jednakowego typu,

- dominacja niezupełna - uwidacznia się u heterozygot, w sytuacji kiedy allel dominujący A nie maskuje całkowicie obecności allelu recesywnego a,

- dominacja zupełna - uwidacznia się u heterozygot, w sytuacji kiedy allel dominujący A maskuje całkowicie obecności allelu recesywnego a,

- kodominacja - uwidacznia się u heterozygot, w sytuacji kiedy cecha warunkowana przez allel IA współistnieje w danym organizmie z cechą warunkowaną przez allel Ia.

Prawa Mendla.

Grzegorz Mendel prowadził swoje badania w 1866 r i na ich podstawie sformułował dwa fundamentalne prawa opisujące zjawisko dziedziczenia cech:

I PRAWO MENDLA - prawo czystości gamet.

Do każdej z gamet może przejść jeden z dwóch alleli danej pary. (allele genów wzajemnie wykluczają się w gametach).

Mendel dowiódł słuszności swojego prawa krzyżując groch o zróżnicowanych kolorach kwiatów:

A - czerwona barwa kwiatu

a - biała barwa kwiatu

Rodzice: AAaa

Gamety: A A a a

pokolenie F1: Aa, Aa, Aa, Aa

wszystkie kwiaty czerwone, heterozygoty

Rodzice: AaAa

Gamety: A a A a

pokolenie F2: AA, Aa, Aa, aa

jeden osobnik o kwiatach białych, trzy o kwiatach czerwonych

Mamy tu do czynienia z dziedziczeniem cech w stosunku 1:3.

II PRAWO MENDLA - prawo niezależnego łączenia się cech.

Allele przypisane do dwóch różnych par genów przekazywane są do gamet niezależnie, na zasadzie losowej segregacji.

Słuszność tego założenia została wykazana na podstawie krzyżówki, w której brano pod uwagę barwę nasion (żółte i zielone) oraz ich powierzchnię (gładkie i pomarszczone).

A - gładkie

a - pomarszczone

B -żółte

b - zielone

Rodzice: AABBaabb

Gamety: AB AB ab ab

pokolenie F1: AaBb, AaBb, AaBb, AaBb

Wszystkie osobniki mają nasiona o barwie żółtej i gładkiej powierzchni.

Rodzice: AaBb x AaBb

Gamety: ab, Ab, aB, AA, ab, Ab, aB, AA

Pokolenie F2:

ab

Ab

aB

AB

ab

aabb

AaBb

aaBb

AaBb

Ab

Aabb

AAbb

AaBb

AABb

aB

aaBb

AaBb

AaBB

AaBB

AB

AaBa

AABb

AaBB

AABB

Pokolenie F2: 9 osobników o pomarańczowych i gładkich nasionach, 3 osobniki o żółtych i pomarszczonych nasionach, 3 osobniki o zielonych i gładkich nasionach, 1 osobnik o zielonych i pomarszczonych nasionach.

Mamy tu do czynienia z dziedziczeniem cech w stosunku 9:3:3:1.

Podsumowanie

Genetyka jest nauką mającą szerokie zastosowanie w hodowli zwierząt, drobnoustrojów i roślin. Można przypuszczać, że w najbliższym czasie jej znaczenie będzie ciągle rosło, głównie ze względu na możliwości jakie stwarza stosowanie technik inżynierii genetycznej w przemyśle farmaceutycznym i produkcji rolnej. Mimo dynamicznego rozwoju tej dyscypliny nauki, pozwalającego na produkcję szczepionek, zwiększanie plonu roślin, czy możliwości produkcyjnych zwierząt, wciąż wiemy o niej niewiele.