Informacja genetyczna jest to informacja zawarta dzięki specjalnemu kodowi genetycznemu w cząsteczce kwasu DNA. Informacja genetyczna jest dziedziczna i dotyczy ona budowy różnych typów RNA i wszystkich białek budujących żywy organizm. Całą informację genetyczną zawierają wszystkie geny jednego organizmu. Informacja ta jest powielana i przekazywana na następnie pokolenia poprzez replikację łańcucha DNA. Substancją , która zawiera dziedziczne informacje genetyczne jest kwas dezoksyrybonukleinowy ( DNA ).
Rozprzestrzenianie się gatunków oraz ich istnienie jest nierozerwalnie zmazane z rozmnażaniem się organizmów. W czasie tego procesu organizmy rodzicielskie różnymi sposobami wytarzają organizmy potomne , które są ich miniaturą . Organizmy potomne zawierają informacje genetyczną pochodząca z dwóch osobników rodzicielskich.
Zarówno u zwierząt jak i roślin organizm potomny powstaje z komórki jajowej produkowanej przez osobnika żeńskiego , zapłodnionej komórka rozrodczą , którą wytwarzają osobniki męskie. U roślin często rozwój zarodka jest wstrzymany w nasieniu , co ma na celu przetrwanie warunków niekorzystnych lub lepsze rozprzestrzenianie się w środowisku. Rozwój zarodka jest aktywowany w odpowiednich warunkach i wyrasta z niego nowa roślina.
W czasie rozwoju nauk przyrodniczych naukowcy poszukiwali jednostki, która przekazywałaby niezbędne informacje na temat budowy i funkcjonowania organizmu potomnego z organizmów potomnych. Pierwsze badania na temat dziedziczności prowadził Grzegorz Mendel. Mendel nie był naukowcem lecz zakonnikiem w klasztorze w Brnie. Obserwował on szczegółowo wzrost popularnej rośliny- groszku ogrodowego. Obserwacje te dotyczyły zagadnień dziedziczenia cech . Cechy te odzwierciedlały się w barwie i ogólnej morfologii kwiatów tej rośliny. Na podstawie długotrwałych obserwacji i analiz, Mendel w 1865 roku ogłosił trzy prawa jakie rządzą genetycznym dziedziczeniem cech.
Pierwsze-cechy organizmów żywych determinowane są przez dwa zawiązki cech , które dziedziczone są od obydwu organizmów rodzicielskich.
Drugie- dziedziczenie różnych cech jednego organizmu zachodzi niezależnie od siebie.
Trzecie- zawiązki cech nie mieszają się między sobą w czasie dziedziczenia, są one niezmienne i traktowane jako całość, nie ulegają rozdzieleniu i zmianom w następnych pokoleniach.
Pod koniec XIX wieku zostały odkryte te "zawiązki cech", które zostały nazwane chromosomami. Struktury obserwowane są w jądrze komórkowym, mają pałeczkowaty kształt , najłatwiej zaobserwować je można w czasie podziału komórkowego.
W czasie najbardziej prymitywnego sposobu rozmnażania, czyli podziału komórki na dwie potomne, dziedziczą one po organizmie macierzystym komplet chromosomów. Jako komplet chromosomów danej komórki przyjmuje się wszystkie chromosomy tej komórki w dwóch kopiach. Badania cytologów wykazały właśnie że każdy gen danej komórki reprezentowany jest w postaci pary identycznych chromosomów. A zatem przed podziałem komórki na dwie potomne, zachodzi podwojenie materiału genetycznego, w związku z czym powstałe komórki posiadają pełną informacje genetyczną. Taki typ podziałów komórkowych nazywany jest podziałem mitotycznym. W czasie podziałów komórkowych, w których dochodzi d powstania gamet komplet chromosomów nie ulega wcześniejszemu podwojeniu . Związane jest to z tym, iż komórki rozrodcze ( gamety ) łączą się w czasie zapłodnienia i powstały w ten sposób zygota posiada już komplet chromosomów. Powstały z takiej zygoty organizm zbudowany jest z komórek posiadających kompletna informacje genetyczną. Podział , w czasie którego powstają gamety o pojedynczym zestawie chromosomów nazywamy podziałem redukcyjnym, czyli mitozą. W większości organizmów zwierzęcych komórki rozrodcze są jedynymi, które są haploidalne. Pozostałe komórki organizmu, czyli komórki somatyczne mają chromosomy reprezentowane przez dwie kopie ( są diploidalne ).
Za reprezentantów cech uważa się geny zawarte w chromosomach. Całe chromosomy nie są substancją dziedziczną lecz jedynie kwas nukleinowy wchodzący w ich skał .Oprócz kwasu chromosomy tworzą także białka zwane histonami. Odkryte to zostało przez amerykańskiego biochemika Oswalda Avery w 1944 roku. Badacz ten przenosząc kwas nukleinowy z jednej komórki do innej zauważył, że w tej drugiej uwidaczniają się cechy komórki , z której był pobrany kwas. Oznacza to że nośnikiem informacji genetycznej jest kwas dezoksyrybonukleinowy- DNA.
Właściwości kwasu i jego budowa.
DNA zbudowany jest z dwóch łańcuchów, którego ogniwa stanowią nukleotydy czterech typów. Nukleotydy te różnią się między sobą obecnością zasady azotowej, tzn., adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy. Oprócz zasad w skład nukleotydów wchodzą cukrowce i reszty kwasu fosforowego, za pomocą których łączą się nukleotydy w łańcuchu DNA.
W jaki sposób DNA uczestniczy w przekazywaniu informacji genetycznej i w jaki sposób zakodowane są te informacje?
Zagadnieniami tymi interesował się para naukowców : Francis Crick i James Watson , którzy po wieloletnich badaniach jako pierwsi odkryli i opublikowali budowę cząsteczki DNA. Odkrycia tego dokonali w 1953 roku. Strukturę ta poznali dzięki badaniom rentgenograficznym. Poznanie szczegółowej budowy kwasu dezoksyrybonukleinowego pozwoliło odpowiedzieć na pytanie : w jaki sposób zapisywana jest informacja genetyczna oraz jak odczytywana jest ona w organizmie potomnym?
Szczegółowa budowa DNA.
Specyficzne dla budowy cząsteczki DNA jest to, że jest ona zbudowana z dwóch łańcuchów , w których kolejność ułożenia nukleotydów determinuje ich sekwencję w łańcuchu sąsiadujących. Aby cząsteczka DNA miała swoją prawidłowa strukturę, elementy ją tworzące muszą być odpowiednio usytuowane przestrzennie. Dwa komplementarne łańcuchy DNA łączą się ze sobą tworząc strukturę przypominająca drabinę. Szczeble drabiny stanowią zasady, które łączą się z zasadami naprzeciwległego łańcucha. Krawędzie zewnętrze tej drabiny stanowią połączone ze sobą reszty cukrowe i fosforanowe. Pojedyncze łańcuchy są położone na tyle blisko siebie , aby mogło być możliwe połączenie zasad występujących w każdym nukleotydzie. Warunkiem połączenia tych zasad jest ich komplementarność , czyli dopasowanie odpowiednich par. Komplementarne pary tworzą miedzy sobą wiązania wodorowe dzięki czemu cząsteczka DNA jest stabilna. Komplementarne zasady w DNA to : Adenina- Tymina ( A- T ) oraz Guanina- Cytozyna ( G- C ). Zachowanie komplementarności zasad polega na tym , że zasadom występującym na jednym łańcuchu muszą odpowiadać takie zasady na drugim łańcuchu , aby mogły one tworzyć jedną z powyższych par. Jeśli w określonym miejscu w łańcuchu występuje adenina to w tym samym miejscu drugiego łańcucha musi występować tymina. tak samo jeśli w jednym łańcuchu jest guanina , to w drugim musi być cytozyna. Wiele badań eksperymentalnych potwierdziło zasadę komplementarności, bez zachowania której cząsteczka DNA nie posiada właściwej struktury i nie może być nośnikiem materiału genetycznego. Jednym z badań było określenie ilości każdej zasady, czyli tyminy, adeniny, cytozyny i guaniny w materiale genetycznym pochodzącego od jednego organizmu. Okazało się , że zawartość adeniny jest taka sama jak tyminy, a ilość guaniny odpowiada ilości cytozyny. Badania te potwierdzają zasadę komplementarności kwasu DNA, w którym ilość zasad tworzących pary musi być identyczna.
Aby elementy wchodzące w skład DNA nie nachodziły na siebie i aby struktura kwasu była zwarta, łańcuchy łączą się w kształt podwójnej helisy. Takie przestrzenne ułożenie łańcuchów powoduje że zasady schowane są jakby w rdzeniu helisy , a na jej powierzchni wystają reszty cukrowe i fosforanowe.
Aby możliwe było odczytanie informacji genetycznej w pojedynczym łańcuchu DNA , cząsteczka helisy musiałaby ulec rozwarstwieniu. Najprostszą metodą rozdzielenia podwójnego łańcucha jest poddanie kwasu działaniu wysokiej temperatury.
Tak samo cząsteczkę DNA należy rozdzielić w czasie replikacji, czyli powielenia informacji genetycznej. Na powstałych pojedynczych łańcuchach dobudowywane są nukleotydy zawierające komplementarne zasady. W ten sposób z dwóch pojedynczych nici powstają dwie dwułańcuchowe cząsteczki DNA. Powstałe cząsteczki potomne zawierają po jednej nici z cząsteczki macierzystej. Przepuszczenia Watsona i Cricka na temat sposobu replikacji materiału genetycznego potwierdziły badania kolejnych naukowców. Przyjmuje się , że powielenie DNA jest cząsteczkowym odpowiednikiem rozmnażania się żywych organizmów. To znaczy że, w komórce rodzicielskiej musi nastąpić powielenie objętości cytoplazmy i organelli aby potomne komórki miały prawidłową budowę. Aby proces replikacji DNA mógł się rozpocząć, niezbędna jest obecność specyficznego enzymu - polimerazy DNA. Enzym ten odpowiada za łączenie się nukleotydów w łańcuchu kwasu nukleinowego.
Informacja genetyczna zapisana w cząsteczkach DNA jest tak naprawdę informacją o budowie wszystkich białek tworzących dany organizm. DNA jest tylko substancja w której zakodowana jest sekwencja aminokwasów budujących białka. Sama cząsteczka DNA nie bierze udziału w żadnych procesach metabolicznych, nie jest substancją energetyczną , z której organizm mógłby korzystać energię, ani nie stanowi też elementu budulcowego tkanek i narządów. Natomiast ważne funkcje w przemianach biochemicznych w organizmie pełnią białka kodowane w cząsteczce DNA. Białka są odpowiedzialne za prawidłową strukturę i funkcjonowanie wszystkich tkanek i narządów, wchodzących w skład organizmu.
Białka podobnie jak kwas nukleinowy zbudowane są z mniejszych podjednostek. Podjednostkami budującymi białka są aminokwasy, których jest 20 rodzajów. Aminokwasy łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi tworząc długie łańcuchy. Łańcuch o określonej sekwencji aminokwasów tworzy cząsteczkę białka. W przyrodzie istnieje wiele rodzajów białek, ale każdy z nich ma swoją charakterystyczną sekwencję aminokwasów. Wszystkie białka tworzy te 20 aminokwasów. Biała te różnią się miedzy sobą tylko kolejnością ułożenia aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Cecha wspólna białek i kwasów nukleinowych jest to , że posiadają one budowę liniową i tworzą je specyficzne podjednostki. Być może ta informacja była wskazówką do odkrycia sposobu kodowania białek na matrycy DNA. Okazuje się , że sekwencji zasad budujących cząsteczkę DNA odpowiada sekwencja aminokwasów w białku , które koduje ta właśnie cząsteczka kwasu nukleinowego. Jeśli już wiadome jest co koduje kwas nukleinowy należy dowiedzieć się w jaki sposób te informacje są zapisywane.
Kod genetyczny.
Sposób zapisania informacji w DNA na temat budowy wszystkich białek określane jest jako kod genetyczny. "Złamanie" tego kodu , jak każdego innego wymagało wielu badań i prób. W czasach obecnych kod jest już w pełni rozszyfrowany. Kod genetyczny charakteryzuje się kilkoma cechami. Jest on : trójkowy, zdegenerowany, bezprzecinkowy i uniwersalny.
Kod trójkowy DNA oznacza , że aminokwasy zapisane są w postaci trójek zasad występujących kolejno w cząsteczce kwasu nukleinowego, np. ciąg AAA oznacza trzy kolejno występujące po sobie adeniny w łańcuchu DNA i koduje aminokwas fenyloalaninę. Te trójki reprezentujące określone aminokwasy określane są jako kodony. Ponieważ kombinacji czterech zasad jest 64 a istnieje tylko 20 aminokwasów, pewne aminokwasy zakodowane są w DNA przez więcej niż jedną trójkę zasad. Zjawisko kodowania aminokwasu kilkoma trójkami ( kodonami ) określamy jako zdegenerowanie kodu genetycznego. Sekwencja aminokwasów DNA jest zapisana w sposób ciągły, tzn. że nie ma żadnych odstępów między trójkami kodującymi określony aminokwas. Dlatego kod genetyczny nazywany jest bezprzecinkowym. W kodzie genetycznym istnieją trzy kodony które nie dają informacji o żadnym aminokwasie. Są to kodony terminalne ( kodony STOP ) , które określają zakończenie łańcucha polipeptydowego.
Uniwersalność kodu polega na tym ,że jest on identyczny dla wszystkich organizmów żywych. Te same trójki zasad kodują identyczne aminokwasy u wszystkich organizmów.
Kod genetyczny jest uniwersalny dla wszystkich organizmów , co potwierdza jedynie fakt, że wszystkie gatunki wyewoluowały z jednego, wspólnego przodka.
Dostępne tablice z kodem genetycznym zawierają spis kodonów występujących na mRNA ( matrycowym kwasie rybonukleinowym ), który kopiowany jest na matrycy DNA. W łańcuchu mRNA zasada tymina ( T )zamieniona jest na uracyl ( U ).
Ekspresja informacji genetycznej.
Przetworzenie informacji zapisanej w postaci ciągu zasad w DNA na sekwencję aminokwasów w określonych białkach zachodzi w dwóch etapach. Pierwszy etap, zwany transkrypcją polega na skopiowaniu łańcucha DNA na matrycowy kwas rybonukleinowy RNA ( mRNA ). W etapie drugim- translacji, następuje odczytanie kodonów z mRNA na odpowiednie aminokwasy i powstanie łańcuchów polipeptydowych.
W komórkach bakteryjnych transkrypcja i translacja zachodzą jednocześnie w cytoplazmie. W komórkach zwierząt wyższych ( komórkach eukariotycznych ) transkrypcja i translacja rozdzielone są od siebie czasowo i przestrzennie. Transkrypcja zachodzi w miejscu, gdzie występuje materiał genetyczny , czyli w jądrze. Dalszy etap- translacja odbywa się w cytoplazmie komórkowej. Rozdzielenie tych dwóch procesów pozwala na lepszą kontrolę
ekspresji informacji zawartej w kwasie nukleinowym oraz na powiększenie ilości DNA.
W czasie odczytu kodu genetycznego obserwuje się przepływ informacji zawartych w kwasach nukleinowych ( DNA i mRNA ) do cząsteczek białek. Nie zaobserwowano przepływu tej informacji w stronę odwrotną , czyli od białka do DNA.
Proces transkrypcji i jego produkt.
W czasie transkrypcji na matrycy pojedynczego DNA powstaje kwas rybonukleinowy RNA.
RNA jest zbudowany , podobnie jak DNA podjednostek , które tworzą cząsteczki cukrowca, reszty fosforanowe i zasady azotowe. Wydaje się że RNA jest zbudowany identycznie jak DNA , lecz występują między nimi dwie zasadnicze różnice.
Pierwszą z nich jest rodzaj cukrowca wchodzącego w skład nukleotydów DNA i RNA. W DNA jest nim dezoksyryboza , w RNA jest to ryboza.
Dugą różnicą jest to, że w łańcuchu RNA zasada tymina ( T ) zamieniona jest na inna zasadę- uracyl ( U ).
Powstały na matrycy DNA kwas rybonukleinowy ( RNA ) ma strukturę jednołańcuchową i nie może ulegać procesom replikacji tak jak DNA.
Transkrypcja jest procesem podobnym w pewnym stopniu do replikacji. Do pojedynczego łańcucha DNA są dołączane odpowiednie nukleotydy budujące cząsteczkę RNA, z tym że nukleotydy te zawierają uracyl a nie tyminę i rybozę zamiast dezoksyrybozy.
Aby proces transkrypcji mógł prawidłowo zachodzić niezbędna jest obecność wielu specyficznym enzymów katalizujących jej przebieg. Enzymy te są niezbędne w inicjacji transkrypcji , czyli rozpoczęcia , w czasie wydłużania się łańcucha polipeptydowego, czyli elongacji oraz w terminacji ( zakończenia ) tego procesu.
Rozpoczęcie transkrypcji polega na rozpoznaniu przez specyficzne białka sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA, która jest sekwencją startową , inaczej zwana promotorem.
Strat transkrypcji zaczyna się od sekwencji paromotorowej, lec niezbędne do tego są jeszcze tzw. czynniki transkrypcyjne. Należą do nich różnego rodzaju białka , m.in. polimeraza DNA.
Białko- polimeraza DNA odczytuje kod na matrycy DNA i zapewnia przyłączanie się kolejnych nukleotydów budujących łańcuch RNA. Jeśli łańcuch DNA będzie zawierał sekwencję terminalną ,transkrypcja ulega zahamowaniu, łańcuch RNA odrywa się od matrycy. Mimo iż powstały w wyniku transkrypcji RNA jest zbudowany z jednego łańcucha , zawiera on wszystkie informacje dotyczące budowy białek tak jak dwułańcuchowy DNA. Pojedynczy łańcuch nie może przyjąć struktury podwójnej helisy ale często występuje w dość skomplikowanych układach przestrzennych. Układy te warunkują wiązania pomiędzy komplementarnymi zasadami występującymi w jednym łańcuchu RNA.
Transkrypcja prowadzi do powstania kilku rodzajów kwasu rybonukleinowego. Należa do nich:
1)- matrycowy RNA ( mRNA ), zawierający wszystkie informacje na temat budowy poszczególnych białek ( sekwencji aminokwasów );
2)- transportujący RNA ( tRNA )- uczestniczy on w odczytywaniu kodonów na mRNA i transporcie aminokwasów niezbędnych w czasie translacji;
3)- rybosomowy RNA ( rRNA )- stanowi element budulcowy struktur niezbędnych w czasie translacji, czyli rybosomów;
4)- niewielkie odcinki RNA , pełniące funkcje regulatorowe w czasie translacji.
Translacja- synteza białka w komórce.
Informacja o budowie wszystkich białek zostaje przepisana w czasie transkrypcji z DNA na RNA. Aby informacje zawarte w mRNA mogły być przepisane na odpowiednią sekwencje aminokwasów, niezbędna jest obecność cząsteczki zwanej adaptorem. Adaptor musi mieć zdolność rozpoznawania kodonów zawartych w nici mRNA oraz odpowiadające tym kodonom typy aminokwasów. Dzięki tym właściwościom adaptorów możliwe jest odczytywanie informacji genetycznej z matrycowego RNA oraz tworzenie łańcuchów polipeptydowych. Bez udziału adaptorów mogłaby nastąpić nieprawidłowa synteza białek.
Tym adaptorem uczestniczącym w translacji jest transportujący RNA - tRNA. Transportujący RNA jest niewielką cząsteczką kwasu nukleinowego ( około 80- 90 par zasad ), która ma złożoną budowę przestrzenną , zbudowana z pętli i zawinięć. Pętle te powstają w wyniku oddziaływań między zasadami tego samego łańcucha. Przestrzenna budowa tRNA przypomina kształtem liść koniczyny. Jedna a z pętli tRNA posiada na swej zewnętrznej części trójkę zasad tworzącą antykodon komplementarny do kodonu ( trójki zasad ) na marcowym RNA. Na przeciwległym końcu cząsteczki tRNA przyłącza się komplementarna do antykodonu cząsteczka aminokwasu. W czasie translacji cząsteczka tRNA przyłącza się do mRNA za pośrednictwem rybosomów . Przyłączająca się cząsteczka musi mieć odpowiedni antykodon w stosunku do kodonu na matrycy RNA. Z drugiej trony tRNA przyłączony jest odpowiadający sekwencji zasad odpowiedni aminokwas. Do następnej trójki w mRNA przyłącza się następna cząsteczka tRNA i komplementarny do nich aminokwas. Sąsiadujące aminokwasy łączą się ze sobą tworząc łańcuch polipeptydowy.
A zatem każdemu aminokwasowi odpowiada specyficzna cząsteczka tRNA. Przyłączanie się aminokwasów do tRNA jest katalizowane przez odpowiednie białka. Tym enzymem białkowym jest aminoacylo- tRNA. Enzymami te mają zdolność rozpoznawania i łączenia aminokwasów z odpowiadającymi im cząsteczki tRNA. Enzymy te charakteryzuje wysoka specyficzność. W każdej komórce istnieją syntetazy specyficzne dla poszczególnego aminokwasu. Syntetazy są również swojego rodzaju adaptatorami.
Aby te wszystkie cząsteczki, tzn. mRNA , tRNA i odpowiedni aminokwas były odpowiednio ułożone w przestrzeni potrzebna jest jeszcze jedna struktura. Strukturą tą jest rybosom. Rybosom jest zbudowany z kilku cząsteczek rRNA oraz specyficznych białek. Rybosomy zbudowane są z dwóch podjednostek, z których jedna jest większa a druga mniejsza. Podjednostki te mogą łączyć się i rozdzielać. Rybosomy określamy jako komórkowe "maszyny" do produkcji białek.
Translacja rozpoczyna się w momencie gdy mniejsza podjednostka rybosomu rozpozna sekwencję startową w łańcuchu mRNA. Sekwencją startową stanowi kodon AUG , które koduje aminokwas metioninę. Z tego wynika , że wszystkie białka rozpoczynają się od metioniny. Do mRNA i małej podjednostki rybosomu przyłącza się tRNA związany z metioniną. Do tego kompleksu dołącza się jeszcze duża podjednostka chromosomalna i tworzy ona kompletną strukturę translacyjną. W rybosomie występuje szczelina którą przebiega matrycowy RNA oraz dwa specyficzne miejsca, tzw. miejsce A i P. Do miejsca A dołącza się kolejny tRNA z odpowiednim aminokwasem, w miejscu P przyłącza się tRNA z coraz dłuższym łańcuchem polipeptydowym. Miejsca A i P zlokalizowane są ponad dwoma sąsiadującymi kodonami w mRNA. Wiązania tworzące się pomiędzy aminokwasami są wiązaniami peptydowymi. Cząsteczki tRNA krążą ciągle w okolicy rybosomu. Po przyłączeniu tRNA do miejsca A długi łańcuch białkowy przeskakuje z miejsca P do A i łączy się wiązaniem peptydowym z następnym aminokwasem. Wolna cząsteczka tRNA opuszcza miejsce P , które zostanie zapełnione następnym tRNA z łańcuchem polipeptydowym wzbogaconym o jeden aminokwas. Przejściu tRNA z miejsca A do P towarzyszy przesunięcie się rybosomu na kolejny kodon łańcucha mRNA. Do prawidłowego powstawania wiązania peptydowego i sprawnego "poruszania" się rybosomu po mRNA niezbędne są specyficzne katalizatory białkowe.
Wydłużanie ,czyli elongacja łańcucha polipeptydowego trwa do określonego momentu. Moment ten określa kodon STOP, czyli specyficzna sekwencja zasad warunkująca przerwanie syntezy białka. Po osiągnięciu przez rybosom miejsca terminalnego translacji, rozpada się on na dwie podjednostki . Od rybosomu odłącza się tRNA oraz łańcuch białkowy. Białka po odłączeniu od rybosomu mogą być poddane jeszcze końcowej obróbce w cytoplazmie.
Ze względu na duża ilość podjednostek budujących ( 20 aminokwasów ) oraz różne rozmiary cząsteczek polipeptydowych , białka charakteryzują się dużym zróżnicowaniem budowy i funkcji. Możliwych jest tak wiele kombinacji 20 aminokwasów , ze w jednej komórce może występować nawet tysiąc różnych białek. Różnią się on miedzy sobą długością łańcucha , sekwencją aminokwasów oraz ułożeniem przestrzennym.
Białka biorą udział w wielu procesach fizjologicznych każdego organizmu oraz stanowią jego element budulcowy. Tak duża różnorodność białek jest zrozumiała ze względu na ich wielofunkcyjność. Mogą one tworzyć elastyczne, o dużej wytrzymałości tkanki, lub też twory organizmu o twardej i odpornej na rozciąganie strukturze. Mogą one tworzyć gąbczaste struktury, żele i ciągliwe mazie.
Mogą one pełnić ważne funkcje w przekaźnictwie i odbiorze sygnałów. Białka biorą też udział w transporcie niektórych substancji , jak również są generatorami prądu elektrycznego i światła. Białka enzymatyczne są niezbędne w wielu reakcjach biochemicznych, ponieważ są one swoistymi biokatalizatorami. Mają one również zdolność rozpoznawania innych komórek, dlatego występują tez w układzie odpornościowym organizmu.
Jak widać wielofunkcyjność białek jest ogromna. Warto dlatego odpowiedzieć na pytanie , co warunkuje tą ogromną różnorodność funkcji białek?
Białka są polimerami zbudowanymi z ogromnej ilości aminokwasów. Najczęściej pojedyncze białko tworzy kilkaset różnych aminokwasów. Ale liczba tych podjednostek może wahać się od kilkunastu do kilku tysięcy . W związku z istnieniem dwudziestu rodzajów aminokwasów możliwych kombinacji ( sekwencji ) aminokwasów w białkach jest prawie nieograniczona liczba. Dla przykładu można obliczyć ilość kombinacji dla białka składającego się z trzystu aminokwasów. Liczba możliwych sekwencji aminokwasowych dla takiego białka wynosi około 10390. Oprócz ogromnej ilości kombinacji należy wziąć pod uwagę fakt, iż każdy aminokwas jest cząsteczką o różnej budowie i innych właściwościach biochemicznych. Poszczególne aminokwasy różnią się ładunkiem, masą cząsteczkową , budową przestrzenną i rozpuszczalnością w wodzie. Różnorodne grupy boczne łańcucha polipeptydowego ,że każde białko ma specyficzne właściwości fizyczne i chemiczne.
Białka charakteryzują się skomplikowaną budową przestrzenną. Wyróżnia się cztery poziomy ( struktury )budowy białka.
Pierwszy poziom, tzn. strukturę pierwszorzędową określa kolejność ułożenia ( sekwencja ) aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.
Strukturę drugorzędowa warunkują wiązania wodorowe miedzy aminokwasami tej samej cząsteczki białka. Łańcuch polipeptydowy może przyjmować dwie drugorzędowe struktury przestrzenne : α- helisy lub β- harmonijki. Mimo iż wiązania wodorowe nie należą do najsilniejszych to struktury heliakalne i harmonijkowe charakteryzują się duża stabilnością.
Struktura trzeciorzędowa utrzymywana jest poprzez silniejsze wiązania niż wodorowe, tzn. wiązania siarczkowe ( mostki disiarczkowe ) oraz wiązania miedzy grupami aminowymi lub hydroksylowymi aminokwasów. Struktury trzeciorzędowe białek są różnorodne i bardzo skomplikowane, są one poskręcanymi w różny sposób helisami i harmonikami. Struktura trzeciorzędowa białka nie jest już tak regularna jak drugorzędowa.
Strukturą czwartorzędowa charakteryzują się jedynie białka zbudowane z kilku podjednostek. Określa ona wzajemne położenie przestrzenne podjednostek budujących całą cząsteczkę białka. Białka mogą być zbudowane z kilku elementów , które mogą być różnego kształtu i wielkości. Połączenia między tymi podjednostkami nie maja charakteru kowalencyjnego.
A zatem przestrzenne ułożenie poszczególnych białek jest uzależnione od rodzaju bocznych reszt aminokwasowych i ich właściwości fizyko-chemicznych.
Rozwój badań dotyczących określenia sekwencji aminokwasów w białkach oraz ich struktury pozwolił na poznanie szczegółowej budowy wielu istotnych w organizmie białek. Badania te oparte były przede wszystkim na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego.
Wśród białek, których zostały poznane wszystkie poziomy organizacyjne należą : kolagen, który jest głównym elementem budulcowym ścięgien, oraz kreatyna , z której w większości zbudowane są paznokcie, włosy i kopyta. Znana jest również budowa niektórych białek enzymatycznych biorących udział w wielu reakcjach biochemicznych organizmu a także złożonych kompleksów białkowych , m.in. przeciwciał.
Ostatecznej struktury białka nie można przewidzieć na podstawie struktury pierwszorzędowej. Można jedynie analizować strukturę przestrzenną i poznawać zależności miedzy rodzajem reszty aminokwasowej a usytuowaniem jej w całej cząsteczce białkowej.
Skomplikowana struktura przestrzenna białek ma decydujący wpływ na ich właściwości i funkcje w komórce. Od tego jak usytuowany jest w przestrzeni łańcuch polipeptydowy zależy, czy cząsteczka białka będzie miała właściwości katalizujące reakcje biochemiczne, czy tez będzie rozpoznawała ciała obce, czyli będzie elementem układu odpornościowego. Oprócz tworzenia skomplikowanej struktury przestrzennej z jednego łańcucha polipeptydowego, białka maja także zdolność do łączenia się z takimi samymi lub innymi rodzajami białek tworząc różnorodne kompleksy. W ten sposób zbudowane są między innymi cząsteczki hemoglobiny- barwnika krwi , wbudowanego w komórki erytrocytów. Kompleksami białkowymi są również przeciwciała w układzie immunologicznym. Białka mogą również tworzyć duże regularne skupiska, np. tworzą one otoczki wirusów- kapsydy.
Podsumowanie wiadomości na temat ekspresji genetycznej.
1.DNA jako substancja genetyczna.
Aby gatunki mogły rozmnażać się i istnieć na Ziemi przez długi czas , niezbędne są mechanizmy za pomocą których przekazywana będzie informacja genetyczna. Czym jest informacja genetyczna oraz w jaki sposób przechodzi z pokolenia na pokolenia? To pytanie już od dawnych lat nurtowało ludzi. Z częściową odpowiedzią przyszli naukowcy ( i nie tylko ) już w XIX wieku. Wśród nich- Grzegorz Mendel określił podatkowe prawa jakie rządzą w dziedziczeniu cech , jakimi charakteryzują się osobniki danego gatunku. Dalsze badania prowadzone były w celu poznania struktury będąca jednostką dziedziczności oraz mechanizmów, za pomocą których jednostki te są przekazywane do organizmów potomnych.
Wiek XX był bardzo obfity w odkrycia dotyczące genetyki i dziedziczenia. W 1953 roku dwaj naukowcy Watson i Crick poznali dokładną budową cząsteczki, będącą jednostka informacji genetycznej. Cząsteczka ta jest kwas dezoksyrybonukleinowy DNA.
DNA jest polimerem zbudowany z jednostek zwanych nukleotydami, W skład nukleotydów wchodzą: cukier ( dezoksyryboza ) , reszty kwasu fosforowego oraz zasady pirymidynowe i purynowe. Do zasad tych należą : adenina (A ) , guanina (G ), cytozyna ( C ) i tymina ( T ).
Cząsteczka DNA jest zbudowana z dwóch łańcuchów zbudowanych z nukleotydów. Łańcuchy te łączą się ze sobą dając strukturę przestrzenną -podwójna helisę. Łączenie się tych łańcuchów uwarunkowane jest komplementarnością zasad , które tworzą pary : A- T oraz C- G. Powielenie cząsteczki DNA , czyli proces replikacji polega na rozdzieleniu cząsteczki DNA na dwa łańcuchy , na których dobudowywana jest komplementarna nić.
2. Kod genetyczny i proces transkrypcji.
Ekspresją informacji genetycznej jest przetłumaczenie sekwencji zasad występujących w łańcuchu DNA na odpowiadające im aminokwasy, które są jednostka budulcową białek. Budowa wszystkich białek zapisana jest w sposób pośredni z pomocą tzw. kodu genetycznego. Kod stanowi zapis kolejnych zasad w łańcuchu DNA. Odczytywanie tej sekwencji i przepisywanie jej na cząsteczkę RNA nazywane jest procesem transkrypcji.
RNA jest także kwasem nukleinowym, lecz zamiast dezoksyrybozy zawiera rybozę a tymina ( T )zamieniona jest na uracyl ( U ). W czasie transkrypcji powstaje kilka rodzajów RNA. Na podstawie mRNA tworzone są białka. Kolejność zapisu aminokwasów budujących poszczególne białka zapisana jest w postaci trójek zasad, tzw. kodonów.
Ponieważ istnieje 20 rodzajów aminokwasów , możliwych kombinacji tych trójek jest 64.
Niektóre aminokwasy kodowane są przez kilka różnych trójek, jak również istnieją takie trójki , które nie kodują żadnego aminokwasu.
3.Proces translacji.
Translacja jest procesem, w czasie którego informacja zapisana w postaci kodonów w mRNA jest przetworzona na łańcuch polipeptydowy. Aminokwasy nie przyłączają się bezpośrednio do kodonów w RNA . Potrzebna jest do tego specyficzna cząsteczka adapterowa. Cząsteczka tak ma właściwość rozpoznawania kodonu na mRNA oraz odpowiadającego jemu aminokwasu. Cząsteczka adapterowa w translacji jest transportujący tRNA. Transportujący RNA budową przypomina liść koniczyny, ponieważ zbudowany jest z trzech pętli. Na jednej z nich zawiera specyficzny antykodon komplementarny do kodonu na mRNA, zaś do drugiego jego końca przyłącza się specyficzny do antykodonu aminokwas.
W translacji biorą jeszcze udział struktury zwane rybosomami które bezpośrednio stykają się z matrycą RNA i zapewniają prawidłowy przebieg translacji. Transportowane przez tRNA aminokwasy łączą się ze sobą powierzchni rybosomów, aż do momentu terminacji translacji. Wynikiem tego procesu są łańcuchy polipeptydowe , które tworzą białka.
4.Struktura i wielofunkcyjność białek.
Białka buduje łańcuch polipeptydowy, złożony z aminokwasów. Aminokwasy połączone są w łańcuchu za pomocą wiązań peptydowych. Ilość aminokwasów , ich sekwencja oraz przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego jest różna u każdego rodzaju białka. W związku z tym białka charakteryzują się ogromna różnorodnością budowy, a co za tym idzie- wielofunkcyjnością. Dlatego białka często określane są jako " uniwersalne narzędzia komórkowe". Mogą one stanowić element budulcowy komórek i tkanek. Biorą udział w przekazywaniu informacji wewnątrz organizmu, pełnia role biokatalizatorów w reakcjach zachodzących w ustroju. Białkami są także niektóre przeciwciała. Białka decydują o wyglądzie i funkcjonowaniu organizmów, dlatego informacja genetyczna jest zapisem ich budowy.
