genetyka od emy.doc

STRUKTURA I FUNKCJA KWASÓW NUKLEINOWYCH

Budowa DNA

Øzasady azotowej

                            purynowej: adeniny lub guaniny                pirymidynowej: tyminy lub cytozyny

Øcukru dezoksyrybozy

Øreszty kwasu fosforowego

                                     adenina                     

              guanina

                                 cytozyna                      

                                                                                                                                 Tymina

uracyl

Zasadę azotową połączoną z cukrem nazywamy nukleozydem, a gdy do tego związku przyłączona jest grupa fosforanowa nazywa się nukleotydem

DNA a RNA

·         W RNA zamiast dezoksyrybozy występuje ryboza (posiadająca dodatkowy atom tlenu przy drugim atomie węgla)

·         W RNA zamiast tyminy występuje uracyl (tworzy komplementarna parę z adeniną)

·         RNA jest cząsteczką jednoniciową

·         W RNA mogą występować zmodyfikowane zasady (np. dihydrourydyna, inozyna itp.)

·         RODZAJE RNA

·         mRNA- RNA kodujące-transkrypty genów kodujących białka

·         tRNA- RNA transportujące

·         hnRNA- heterogenne RNA (prekursorowy, lub pre-RNA)

·         scRNA-małe cytoplazmatyczne RNA, obecne nie u wszystkich eukariontów, są zróżnicowaną grupą cząsteczek o rozmaitych funkcjach

·         snRNA- małe jądrowe RNA, zwane także U-RNA, bogate w urydyny. Pełni funkcję podczas dojrzewania innych cząsteczek RNA (funkcje regulatorowe).

·         snoRNA- małe jąderkowe RNA

·         rRNA- rybosomowy RNA, są składnikami rybosomów, struktur na których odbywa się synteza białek

·         tmRNA- transportująco informacyjne, wyznaczają białka do degradacji

W roku 1953 J. Watson (26-letni Amerykanin) i F. Crick(36-letni Anglik) rozszyfrowali strukturę przestrzenną DNA i na tej podstawie zaproponowali mechanizm replikacji DNA.

DWUNICIOWA BUDOWA HELISY DNA wg Watsona i Cricka 1953 r.
 

1.Dwa helikalne łańcuchy polinukleotydowe zwijają się dookoła wspólnej osi. Łańcuchy są antyrównoległe – biegną w przeciwnych kierunkach.

2.   Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i dezokyrybozy na zewnątrz helisy. Płaszczyzny zasad są prostopadłe do osi helisy, a płaszczyzny pierścieni cukrów są prawie prostopadle ułożone względem zasad  

3. Średnica helisy wynosi 2.0 nm.Odległość miedzy sąsiednimi zasadami mierzona wzdłuż osi wynosi 0.34 nm. Zasady są skręcone względem siebie pod kątem 36º. Na całkowity skręt spirali przypada po 10 nukleotydów w każdym łańcuchu, co daje okres powtarzalności 3,4 nm.

4. Dwa łańcuchy łącza się między sobą wiązaniami wodorowymi między parami zasad (A/T, G/C)

5. Kolejność zasad w łańcuchu polinukleotydowym nie jest w żaden sposób ograniczona. Ściśle określona sekwencja zasad niesie informacja genetyczną.

ALTERNATYWNE STRUKTURY PODWÓJNEJ HELISY DNA

Forma B-DNA, na powierzchni helisy B-DNA występuje duży rowek o średnicy 2,2 nm i mały rowek o średnicy 1,2 nm. W warunkach fizjologicznych lizba par zasad wynosząca 10,4 na skręt helisy uznana została za charakterystyczną dla formy B-DNA.

Forma A-DNA, jest dwuniciową prawoskrętną helisą, która staje się szersza i krótsza niż helisa B-DNA. Na całkowity skręt helisy A przypada 11 par zasad. Duży rowek jest głęboki i wąski. Mniejszy rowek ulega prawie całkowitemu zanikowi.Ma kształt bardzo szeroki i płytki.

Forma Z-DNA, jest lewoskrętna, ma więcej par zasad przypadających na jeden skręt, staje się długa i wąska. Strukturę nazwano Z ze względu na szkielet cukrowo-fosforanowy, który kształtem przypomina literę Z. Nie stwierdzono występowania formy Z in vivo. 

Właściwości DNA wg Chargraffa

1.Stosunki ilościowe adeniny do tyminy i guaniny do cytozyny sa bliskie 1.0 dla wszystkich badanych cząsteczek DNA. Ilość reszt purynowych równa jest ilości reszt pirymidynowych

2.Stosunek A/T i G/C jest typowy i stały dla DNA danego organizmu

3.Jeżeli DNA zawiera większy procent par A/T to organizm jest bardziej wrażliwy na działanie promieni UV

4.Promieniowanie jonizujące wywiera efekt na DNA bogate w pary G/C

5.Zasób informacji zakodowany w DNA jest największy przy 41% par G/C. Zwiększenie i zmniejszenie procentowe zawartości tych par obniża możliwość kodowania przez DNA informacji.

Budowa i skład chemiczny chromatyny

GENOM

Suma wszystkich kodujących i niekodujących sekwencji DNA zawartych w haploidalnej liczbie chromosomów.

Według International Human Genome Sequencing Consortium genom człowieka zbudowany jest z 3,08 mld nukleotydów.

Genom człowieka składa się z dwóch części genomu jądrowego i mitochondrialnego.

Większość genomu zawarta jest w chromosomach.

Genom jądrowy składa się ze zbioru liniowych cząsteczek DNA.

Chromosomy są znacznie krótsze niż zawarte w nich cząsteczki DNA.

Potrzebny jest wysoce uorganizowany system pakowania, aby zmieścić cząst. DNA w chromosomie.

·         Jądrowy DNA jest połączony z białkami wiążącymi się z DNA, zwanymi histonami

·         CHROMATYNA=kompleks DNA+histony

·         Białka histonowe są regularnie rozmieszczone wzdłuż DNA

·         Każdy NUKLEOSOM zawiera 8 cząst. Białek histonowych: 2x H2A, H2B, H3 i H4.

·         Osiem białek tworzy oktamer w kształcie walca z DNA owiniętym dwukrotnie wokół niego

·         Nukleosomy oddzielone są od siebie DNA łącznikowym.

·         Uważa się, że struktura nukleosomów stanowi nieupakowaną formę chromatyny, która występuje raczej rzadko w żywym jądrze

·         Bardziej skondensowanym kompleksem jest włókno 30 nm

·         To włókno jest prawdopodobnie głównym typem chromatyny w jądrze w czasie interfazy, czyli okresie między podziałami

·         Podczas podziału jądra DNA przybiera bardziej zwartą formę upakowania, tworząc wysoce skondensowane chromosomy metafazowe

Poziomy organizacji chromatyny

1)podwójna helisa DNA

2)nić DNA nawinięta na histony tworzy nukleosomy

3)włókno chromatynowe (10 nm.) - zbudowane z upakowanych nukleosomów

4)solenoid (włókno 30 nm) - spiralnie skręcone włókno 10 nm

5)splątane domeny (pętle)

6)chromatyna skondensowana (chromosom)

CHROMOSOMY

·         Najwyższy stopień skondensowania chromatyny stanowią chromosomy metafazowe

·         Każdy chromosom metafazowy podzielony jest podłużnie na dwie chromatydy siostrzane, które łączą się w centromerze.

CHROMOSOMY POLITENICZNE

Chromosomy politeniczne=olbrzymie, powstają na skutek licznych replikacji i podziałów pojedynczych chromatyd połączonych ze sobą. Mogą być ponad 200 razy większe od normalnych chromosomów danego oragnizmu.

Np. w gruczołach ślinowych owadów, bielmie roślin

CHROMOSOMY SZCZOTECZKOWE

Chromosomy szczoteczkowe, w fazie czynnościowej tworzą liczne pętle (gdzie zachodzi synteza RNA) odgałęziające się od chromatyd co nadaje im wygląd szczotki do mycia butelek; ten stan chromosomów jest przejściowy i specyficzny dla określonego stadium rozwojowego komórek płciowych

Np. Oocyty kręgowców, spermatocyty bezkręgowców

Większość genomów prokariotycznych ma wielkość poniżej 5 Mb. To kolista cząsteczka DNA, zlokalizowana w nukleoidzie.

Odkrywa się również genomy liniowe.

Gen

podstawowa jednostka dziedziczenia, zlokalizowana w chromosomach, decydująca o przekazywaniu cech potomstwu.

Liczba genów, szacowana jeszcze kilka lat temu na 80 tys., później na 35 tys., jest w rzeczywistości dużo niższa. IHGSC zaproponowało, że liczba genów kodujących białka wynosi u człowieka od 20 tys. do 25 tys.

W 2005 Protein Lounge podał, że u Homo sapiens występują 22 864 geny

Dokładne poznanie tych liczb jest konieczne do identyfikacji podłoża genetycznego chorób człowieka i określenia celu działania terapeutycznego.

W zależności od efektów działania, np. wpływu na wykształcenie się cech morfologicznych organizmu, wyróżnia się różne kategorie genów, np.:

1) geny dominujące i recesywne,

2) geny plejotropowe - wpływające na wykształcenie kilku różnych cech,

3) geny kumulatywne (poligeny, polimeryczne) - których działanie sumuje się z działaniem innych genów,

4) geny dopełniające - współdziałające z innym genem w wykształceniu danej cechy,

5) subletalne - obniżające żywotność organizmu lub letalne - prowadzące do jego śmierci (np. gen powodujący wystąpienie braku krzepliwości krwi u zwierząt lub gen uniemożliwiający wytwarzanie chlorofilu u roślin),

Ze względu na mechanizm działania wyróżniamy:

1) strukturalne - zawierają informację dotyczącą biosyntezy białka,

2) regulatorowe (regulatory) - regulują aktywność genów strukturalnych.

   Zespół genów we wszystkich chromosomach danego organizmu określa się jako genotyp.

U Prokariota geny zawierają ciągłą sekwencję nukleotydów w DNA, natomiast u Eukariota geny niosące informację genetyczną (egzony) są przedzielone intronami. Tak więc informacja u Eukariota jest nieciągła i w procesie biosyntezy białka introny muszą zostać usunięte, a powstałe w ten sposób fragmenty DNA połączone w całość.

   Termin gen wprowadził W.L. Johansen.

REPLIKACJA DNA

Replikacja polega na rozwinięciu helisy DNA na krótkim odcinku i syntezie na matrycy obu nici, nici komplementarnych.

Jest to proces semikonserwatywny co oznacza, że powstała cząsteczka zawiera jedną nić matczyną, a drugą potomną.

Powstają dwie identyczne dwuniciowe kopie pierwotnej cząsteczki wyjściowej DNA.

Synteza nowych nici może zachodzić tylko z udziałem nici rodzicielskich, służących jako matryce.

REPLIKON

jednostka replikacji, za którą przyjęto uważać odcinek DNA, zawierający miejsce startu oraz przylegające sekwencje uczestniczące w kontroli tego procesu

Replikacja u Procaryota

·         INICJACJA- rozpoczyna się w  miejscu origin (ori) gdzie syntetyzowany jest odcinek RNA - starter o długości około 10 do 60 nukleotydów

Miejsce inicjacji jest bardzo ważne. Raz rozpoczęty proces musi przebiegać aż do zakończenia syntezy całego replikonu.

Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy matrycowego DNA tworzą tzw. ‘widełki replikacyjne’. O rozdzieleniu heliksu DNA decydują białka enzymatyczne, zwane helikazami.

Przesuwają się wzdłuż dwuniciowego DNA, rozdzielając nici i poszerzając widełki replikacyjne.

·         ELONGACJA- na nici o polarności 3` do 5` nowo syntetyzowany łańcuch może wydłużać się w sposób ciągły, a na nici o przeciwnej polarności w postaci fragmentów Okazaki (około 1000 – 2000 nukleotydów)

Wymaga udziału wielu białek enzymatycznych, oprócz polimeraz, najważniejszych enzymów odpowiedzialnych za replikację, potrzebnych jest wiele enzymów katalizujących reakcje. Wszystkie te białka tworzą kompleks zwany REPLISOMEM.

·         TERMINACJA- replikacja kończy się po przejściu widełek replikacyjnych wzdłuż całej kolistej cząsteczki chromosomu przy udziale sekwencji terminacyjnych Ter E, D, A, C, B i F

Replikacja u Eucaryota

·         INICJACJA- rozpoczyna się w w kilku miejscach chromosomu jednocześnie (wiele miejsc ori), w każdym z nich syntetyzowany jest odcinek RNA tzw. starter o długości około 10 nukleotydów

·         ELONGACJA- synteza DNA przy udziale polimerazy zachodzi na obu niciach w sposób nieciągły ( ze względu na wiele miejsc inicjacji)

·         TERMINACJA- zakończenie replikacji ma miejsce w momencie fizycznego zetknięcia się widełek podążających ku sobie z przeciwnych kierunków

Enzymy replikacji

Helikazy – rozdzielają nić DNA, rozcinają wiązania wodorowe

Białka SSB – zapobiegają zwijaniu się pojedynczych nici DNA

Topoizomerazy – rozluźniają superskręty w cząsteczce DNA, przecinają wiązania fosfodiestrowe w łańcuchu polinukleotydowym

Ligazy – łączą fragmenty DNA (fragmenty Okazaki, fragmenty po wycięciu               starterów)

Polimerazy – przeprowadzają syntezę DNA

TOPOIZOMERAZY

...