DNA jako materiał genetyczny.

Materiał genetyczny organizmów żywych stanowią cząsteczki kwasów nukleinowych ( DNA i czasem RNA ) oraz białka przez nie kodowane. Kwasy nukleinowe zawierają informację dotyczącą kolejności aminokwasów budujących poszczególne białka. Wszystkie białka występujące w organizmach żywych zbudowane są z 20 różnych aminokwasów.

DNA - kwas dezoksyrybonukleinowy , jest polinukleotydem zbudowany z mniejszych podjednostek zwanych nukleotydami. W skład każdego nukleotydu wchodzi reszta kwasu fosforowego, dezoksyryboza i zasada azotowa. W łańcuchu DNA występują cztery rodzaje zasad azotowych : adenina, cytozyna, tymina, guanina.

Nukleotydy w łańcuchu połączone są dzięki wiązaniom kowalencyjnym między resztą fosforanową a zasadą są siadujących nukleotydów. Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch nici, które są w stosunku do siebie komplementarne, czyli sekwencji zasad na jednym łańcuchu odpowiada sekwencja zasad na drugim łańcuchu . Komplementarność zasad azotowych związana jest z tworzeniem przez nie par , tj. guaniny z cytozyną ( G- C ) oraz tyminy z adeniną ( T - A ). Pojedyncze nici DNA powiązane są z sobą dzięki wiązaniom wodorowych występujących między zasadami. Cząsteczka DNA ma postać podwójnej helisy, prawoskrętnej, w której rdzeń tworzą pary komplementarnych zasad, natomiast część zewnętrzną dezoksyryboza i reszty kwasu fosforanowego. W związku z zasadą komplementarności sekwencja nukleotydów na jednej nici DNA warunkuje sekwencję nukleotydów na drugiej nici.

Genom.

Wszystkie cząsteczki kwasu nukleinowego w komórce stanowią jej genom, czyli całkowitą informację genetyczną. DNA może występować w komórce w różnych postaciach , czyli w formie upakowanej - chromosomach ( u organizmów eukariotycznych ) lub kulistej - nukleoidach ( w komórkach prokariotycznych ). Chromosomy występujące w komórkach eukariotycznych zbudowane są z cząsteczki DNA oraz specyficznych białek - histonów. Nić DNA nawinięta jest na strukturę zbudowaną z 8 cząsteczek białka tworząc nukleosom . Nawinięty kwas nukleinowy na białka histonowe tworzy strukturę podobną do nici z nawleczonymi koralami- chromatynę. Chromatyna ulega silnemu pokręcaniu i upakowaniu tworząc pałeczkowate struktury, czyli chromosomy.

Replikacja DNA.

Replikacja jest zjawiskiem powielenia materiału genetycznego ( DNA ). Namnażanie kwasu nukleinowego odbywa się na matrycy pojedynczego łańcucha DNA , do którego dobudowywane są komplementarne nukleotydy. Replikacja tak ma charakter semikonserwatywny , tzn. powstała w jej wyniku cząsteczka DNA jest tylko w połowie nowa ponieważ drugą jej nić stanowi macierzysta nić DNA.

Aby możliwa była replikacja niezbędne jest rozerwanie podwójnej helisy na dwie nici. Potrzebna jest do tego energia, która powoli na rozerwanie wiązań między resztami kwasowymi a zasadami azotowymi . Energia ta czerpana jest z cząsteczek ATP.

Miejsce w którym nastąpi rozerwanie podwójnej helisy determinowane jest specyficzną sekwencję około 200- 300 nukleotydów. Sekwencja ta określana jest jako miejsce inicjacji replikacji. W momencie rozerwania podwójnej nici DNA przyłączają się do niej enzymy replikacyjne, wśród których najważniejszym jest polimeraza DNA. Polimeraza umożliwia dobudowywanie komplementarnych nukleotydów do nici macierzystych. Rozchodzące się w miejscu inicjacji pojedyncze nici DNA nazywane są widełkami replikacyjnymi. Tworzenie cząsteczki DNA na łańcuchach pierwotnych odbywa się w różny sposób. Dobudowywanie nukleotydów do jednej nici odbywa się w sposób ciągły, natomiast odtwarzanie drugiej nici polega na tworzenie krótkich odcinków nowego DNA , które następnie łączone są w pojedynczą nić za pomocą enzymów zwanych ligazami.

W czasie replikacji obecne są także enzymy naprawcze które mają zdolności naprawcze i odpowiadają tym samym za prawidłowy przebieg namnażania DNA.

Ekspresja informacji genetycznej.

Informacja genetyczna odczytywana jest w kierunku: DNA → RNA → BIAŁKO.

Ekspresją informacji genetycznej jest synteza odpowiednich białek zakodowanych w cząsteczkach DNA. Informacją genetyczną jest zestaw charakterystycznych dla danego gatunku genów- czyli genotyp. Genotyp warunkuje specyficzne cechy zewnętrze organizmu, czyli jego fenotyp. Informacja zawarta w DNA przepisywana jest na RNA ( na drodze transkrypcji ), następnie z RNA na sekwencję określonych aminokwasów budujących cząsteczkę białka ( translacja ). Transkrypcja opiera się na zasadzie komplementarności zasad azotowych kwasu DNA i RNA. Natomiast w translacji wymagane są cząsteczki o charakterze adaptatorów rozpoznających sekwencję nukleotydów w RNA oraz odpowiadające im cząsteczki aminokwasów.

RNA , czyli kwas rybonukleinowy podobnie jak DNA jest polinukleotydem , lecz zbudowany jest z jednej nici. Nukleotydy RNA zbudowane są z reszt fosforanowych, cukru - rybozy oraz zasad azotowych : guaniny, cytozyny , adeniny i uracylu , który jest odpowiednikiem tyminy w DNA. Niekiedy w jednej nici dochodzi do parowania się komplementarnych jej odcinków.

W organizmach żywych występują trzy formy RNA , które różnią się między sobą funkcją, budową i wielkością . Typy RNA :

  • Matrycowy RNA - mRNA , powstały z DNA jest matrycą na podstawie której syntetyzowane są białka;
  • Transportujący RNA - tRNA , służy do rozpoznawania sekwencji nukleotydów na mRNA i przypisywaniu im odpowiednich aminokwasów;
  • Rybosomowy RNA - rRNA , tworzy, wraz ze specyficznymi białkami rybosomy, czyli struktury na których odbywa się produkcja białe.

Transkrypcja.

Jest to proces namnażania RNA na matrycy pojedynczej nic DNA. Synteza RNA odbywa się na zasadzie komplementarności zasad azotowych : cytozyna - guanina ( C- G )adenina - uracyl ( A - U). Proces ten odbywa się dzięki obecności specyficznego enzymu - polimerazy DNA. Powstały w wyniku translacji mRNA zawiera informację genetyczną zawartą w postaci kodu .

Kodem genetycznym są trójki nukleotydów, które dopowiadają określonemu aminokwasowi. Kod genetyczny stanowi sekwencja tripletów nukleotydowych w mRNA. Kod genetyczny jest uniwersalny, bo identyczny dla wszystkich organizmów, niezachodzący, bezprzecinkowy i zdegenerowany ( jeden aminokwas może być kodowany przez kilka tripletów nukleotydowych ).

Translacja.

Translacja jest procesem , w wyniku którego informacja zawarta w mRNA odczytywana jest na sekwencję aminokwasów budujących łańcuchy polipeptydowe. W translacji niezbędny jest udział rybosomów i tRNA . Rybosomy są kulistymi strukturami zbudowanymi z dwóch podjednostek , między którymi umieszczona jest matryca RNA. Rybosomy są swoistymi '"maszynami" do produkcji białek.

Transportujący RNA ( tRNA ) odpowiada za rozpoznanie tripletu nukleotydowego na mRNA ( kodonu ) komplementarnego do sekwencji nukleotydów występujących na jego cząsteczce ( antykodonu ). Do innej części tRNA przyłącza się aminokwas odpowiadający kodonowi i antykodonowi. Struktura tRNA połączonego z aminokwasem określana jest jako aminoacylo- tRNA.

Synteza białek.

Do syntezy białek niezbędne są : mRNA, rybosomy, aminoacylo-tRNA , mRNA, enzymy białkowe oraz energia. Biosynteza białek odbywa się w sposób cykliczny.

Aminoacylo- tRNA łączy się za pośrednictwem rybosomów z fragmentem mRNA komplementarnym do jego antykodonu. Na rybosomie istnieje miejsce w którym zakotwiczone jest tRNA z wydłużającym się łańcuchem aminokwasowym. W czasie przyłączania kolejnej cząsteczki aminokwasu łańcuch polipeptydowy przeskakuje na nowy aminoacylo- tRNA uwalniając tym samym wolną cząsteczkę tRNA. Łańcuchy polipeptydowe wydłużają się aż do momentu , gdy rybosom nasunie się na kodon terminacyjny , czyli kończący proces translacji.

Regulacja prawidłowego przebiegu translacji odbywa się na dwóch etapach : rozpoznawania przez cząsteczkę tRNA kodonu komplementarnego do własnego antykodonu oraz przyłączania do niej odpowiednich aminokwasów. Powstały w wyniku translacji łańcuch polipeptydowy ulega jeszcze obróbce, dzięki czemu białko osiąga prawidłowe właściwości i strukturę przestrzenną. Za strukturę przestrzenną białka odpowiadają oddziaływania między grupami funkcyjnymi aminokwasów budujących białka. Do oddziaływań tych należą przede wszystkim wiązania wodorowe i mostki disiarczkowe. Białka mogą mieć złożoną strukturę, zbudowaną z kilku podjednostek. Czasem w ich skład wchodzą grupy niebiałkowe, np. cukrowe lub lipidowe.

Geny.

Pojedynczy gen stanowi podstawową jednostkę informacji genetycznej. Jeden gen koduje łańcuch polipeptydowy odpowiadający jednej cząsteczce białka. Występowanie genów w komórkach eukariotycznych nie ogranicza się jedynie do chromosomów, obecne są również w DNA plastydowym i mitochondrialnym. U organizmów prokariotycznych geny występują w postaci luźno skręconej nici DNA lub RNA - w plazmidach i genoforze.

Materiał genetyczny eukariontów różni się od materiału prokariontów obecnością tzw. intronów, czyli niekodujących odcinków DNA. Introny oddzielają od siebie odcinki kodujące, czyli egzony. Taki typ genomu określamy jako rozproszony. Do ekspresji rozproszonych nie może dojść aż do momentu wycięcia z nich odcinków niekodujących. Po tym zabiegu fragmenty kodujące- egzony są ze sobą łączone w czasie procesu składania genów.

U prokariontów cały DNA koduje białek, tzn. że w jego cząsteczce brak jest odcinków niekodujących.

W czasie odczytywania informacji genetycznej w jądrach komórek eukariotycznych , introny zawarte w DNA przepisane są na cząsteczkę RNA. Dopiero w wyniku działania specyficznych enzymów wycinane są fragmenty niekodujące oraz łączone fragmenty kodujące, czyli egzony. Tak powstałą cząsteczka tRNA transportowana jest z jądra do cytoplazmy i służy jako matryca do budowy białek.

Regulacja ekspresji informacji genetycznej.

W komórce niezbędne są mechanizmy regulujące powstawanie określonych białek. Jest to konieczne ze względu na to, że w komórkach całego organizmu obecne jest DNA kodujące wszystkie białka, natomiast poszczególne komórki różnią się między sobą co jest związane z obecnością białek charakterystycznych dla danego typu komórek. Za wytwarzanie określonych białek w komórkach odpowiedzialne są aktywowane geny. Geny kodujące białka niepotrzebne danej komórce nie są aktywowane.

Za rozpoczęcie transkrypcji DNA odpowiada specyficzna sekwencja nukleotydowa na pojedynczej nici kwasu dezoksyrybonukleinowego. Sekwencja ta nazywana jest odcinkiem promotorowym DNA. Sekwencja promotorowa zawiera kilkanaście nukleotydów znajdujących się najczęściej przed miejscem transkrypcji. Promotor jest rozpoznawany przez enzym uczestniczący w transkrypcji- polimerazę RNA. Przyłączenie się polimerazy RNA do promotora pozwala na rozwinięcie się podwójnej helisy DNA i rozpoczęcie transkrypcji.

Podsumowanie.

Dzięki mechanizmom regulujących procesy transkrypcyjny, poszczególne komórki mogą syntetyzować różne białka a w przypadku komórek eukariotycznych mogą ulec procesom różnicowania. Regulacja ta jest niezbędna ze względu na to , że każda z komórek zawiera kompletny materiał genetyczny, w którym zapisana jest informacja dotycząca budowy wszystkich białek danego organizmu.

Regulacja transkrypcji u eukariontów związana jest ze skomplikowaną budową materiału genetycznego. DNA eukariontów nawinięty jest na białka histonowe oraz jest pakowane w zwartych strukturach- chromosomach . Takie upakowanie materiału genetycznego uniemożliwia dostęp polimerazy DNA do określonych genów. Ekspresja genów zachodzi jedynie w odcinkach, które ulegają rozluźnieniu.

U organizmów prokariotycznych mechanizm regulacji transkrypcji genów oparty jest na oddziaływaniu białek na cząsteczkę DNA. Przykładem takiej regulacji jest operon laktozowy.

Mechanizm działania operonu związany jest ze zmiennymi warunkami życia organizmów prokariotycznych. Regulacyjne działanie operonu polega na utrzymywanie względnie stałego stężenia enzymu rozkładającego laktozę w ciele komórki bakteryjnej. Aktywuje on syntezę tego enzymu w warunkach jego niedoboru a także dezaktywuje działanie genów odpowiedzialnych za jego syntezę w warunkach nadmiaru tego enzymu.

Operonem nazywany grupę genów leżących w bliskim sąsiedztwie w cząsteczce mRNA. W genomie bakteryjnym poszczególne geny nie są pooddzielane fragmentami niekodującymi.

Grupa genów jest pod wpływem wspólnego regulatora, posiadają one wspólną sekwencje promotorową i transkrybowane są w postaci jednej nici mRNA. Do systemu regulacyjnego operonu należy także gen , który koduje białko zwane represoremRepresor przyłącza się do charakterystycznego odcinka DNA zwanego operatorem. Przyłączenie się represora do odcinka operatorowego powoduje, że polimeraza RNA nie może połączyć się z odcinkiem promotorowym DNA. Za możliwość przyłączenia się represora z operatorem odpowiedzialne są różnorodne związki chemiczne. W przypadku operonu laktozowego związkiem tym jest laktoza o nieznacznie zmienionej budowie. Laktoza przyłącza się do represora, uniemożliwiając mu tym samym przyłączenie się do operatora. Dzięki temu polimeraza RNA może przyłączyć się do części promotorowej genu i następuje synteza laktozy.

Jeśli laktoza jest obecna w komórce w odpowiednim stężeniu to nie następuje przyłączenia się laktozy do represora. Aktywny represor przyłącza się do operatora , uniemożliwiając działanie polimerazy RNA a tym samym syntezę laktozy. Przy nadmiarze laktozy w komórkach aktywowane są geny kodujące enzymy rozkładające nadmiarowe cząsteczki białka.

Rozpoznawanie przez białka określonych sekwencji nukleotydowych.

W nukleotydach tworzących DNA mogą wystąpić różnego rodzaju oddziaływania między grupami funkcyjnymi zasad azotowych. Układ grup jest typowy dla każdej pary nukleotydowej , w związku z tym każda z nich odpowiada charakterystycznemu łańcuchowi bocznemu aminokwasu wchodzącego w skład łańcuch polipeptydowego. Białka uczestniczące w regulacji transkrypcji są w stanie rozpoznać sekwencje o długości około 20 nukleotydów. Rozpoznanie to oparte jest na liczbie wiązań wodorowych jakie tworzą poszczególne nukleotydy. Wiązanie między represorem a sekwencją operatorową jest dużo silniejsze niż wiązanie z cząsteczką nieprawidłową.

Regulacja biało- DNA może mieć formę pozytywną i negatywną . Regulacja pozytywna polega ma tym , że białko regulatorowe ułatwia przyłączanie się polimerazy RNA do promotora, natomiast regulacja negatywna związana jest z przyłączeniem się białka regulatorowego w sąsiedztwie promotora, przez co nie jest możliwe przy łączenie się polimerazy do tego miejsca i transkrypcja genu.

Regulacja ekspresji informacji genetycznej poprzez zmiany strukturalne materiału genetycznego.

Jak wiadomo materiał genetyczny eukariontów jest upakowany w struktury zwane chromosomami. Chromosomy charakteryzują się złożonością budowy. Zbudowane są z nici DNA nawiniętej na białka histonowe tworząc struktury zwane nukleosomami. Łańcuch nukleosomów stanowi chromatynę - nić DNA zawierająca odcinki kwasu połączonego z białkami oraz odcinki wolne. Chromatyna może występować w formie luźnej- nitkowatej lub skondensowanej- w postaci chromosomów.

Ten rodzaj regulacji polega na aktywowaniu genów kodujących białka , które mają zdolność rozluźniania określonej części łańcucha DNA . Określony odcinek DNA zawiera geny potrzebne komórce w danym momencie.

Wynikiem wszystkich mechanizmów regulacji ekspresji genów jest różnicowanie się komórek. Dzięki tym mechanizmom w komórkach danej tkanki ulegają ekspresji geny , których produkty są tym komórkom niezbędne. Te produkty mogą być niepotrzebne w komórkach innego typu, dlatego w nich aktywowana jest ekspresja innych genów.

Wynikiem różnicowania się komórek jest powstawanie tkanek budujących skomplikowane narządy.