Genetyka ogólna. Wykład 3

Genetyka ogólna
Biosynteza białka
(transkrypcja i
translacja)
Replikacja
Zagadnienia szczegółowe





Ekspresja genu.
Biosynteza białka. Rybosomy. Jąderko. Kod
genetyczny.
Aparat enzymatyczny procesu transkrypcji i
translacji.
Replikacja DNA.
Faza S cyklu komórkowego. Aparat
enzymatyczny procesu replikacji
Rola biologiczna jąderka
Jąderko - ultraelement jądra komórkowego, odpowiedzialny za
syntezę rRNA. Składa się z zagęszczonej chromatyny. W
trakcie podziału komórkowego jąderko zanika. Można to uzasadnić
zablokowaniem transkrypcji genów kodujących rRNA, ponieważ
wtedy chromosomy ulegają kondensacji.
Jąderko tworzone jest z obszaru jąderkotwórczego
(NOR),
u
człowieka
występuje
10
NOR-ów
(znajdujących się na ramionach chromosomów par 13,
14, 15, 21 i 22), a np. u świni 4 NOR-y. Jąderko jest
luźno zawieszone w kariolimfie. Jąderko nie jest
obłonione, w czym przypomina rybosom.
Organizator jąderka (NOR z ang. nucleolus organizer
region) jest to fragment genomu zawierający powtarzające się
sekwencje kodujące cząsteczki 18S i 28S rRNA, podzielone
intronami. Po zakończeniu podziału komórkowego i odtworzeniu
normalnej struktury jądra komórkowego ten odcinek chromosomu
Jąderko
powstaje
poprzez
kondensację części chromosomu (lub
kilku
chromosomów)
zwanych
obszarami jąderkotwórczymi (NOR);
- jest kulistą, często pojedynczą,
strukturą
wewnątrz
jądra
komórkowego nie otoczoną żadną
błoną. Zbudowane jest głównie z
białek i w mniejszym stopniu z RNA i
DNA.
Odpowiada za syntezę rRNA
oraz składanie rybosomów.
4 – jąderko, 5 - chromatyna
Budowa jądra komórkowego 1. błona jądrowa (kariolemma) 2. rybosomy; 3. pory w
błonie jądrowej; 4 jąderko; 5. skłębione nici chromatynowe; 6. jądro komórkowe; 7.
retikulum endoplazmatyczne; 8. kariolimfa.
Organizatorem jąderka jest odcinek DNA zawierający geny dla rRNA
•Niezależna całość, strukturalna odrębność•miejsce syntezy rRNA przy udziale
polimerazy I; •posttranskrypcyjne dojrzewanie rRNA i montaż prerybosomów
W jąderku pierwotny transkrypt rRNA jest posttranskrypcyjnie
modyfikowany i łączony z białkami w podjednostki rybosomowe
Organizacja jąderka przez obszary NOR obecne w
chromosomach zawierających geny dla rRNA
10 obszarów NOR u
człowieka (5x2) 13, 14, 15,
21 i 22
Synteza rybosomalnego RNA w jąderku
U góry: jądro fibroblastu z
jąderkami
wybarwionymi
na
purpurowo
U góry: (mikrografia z TME): chromosomy w postaci luźnej chromatyny zawierające
regiony z genami dla rRNA tj. rDNA. DNA w regionie organizacji jąderka (NOR)
wygląda jak choinka. Szczyt drzewa jest miejscem inicjacji transkrypcji. Widać
wyraźnie
gałęzie ,,drzewa’’. Każda gałąź jest rosnącym brzegiem morza
rybosomalnego RNA. Informacja genetyczna z rDNA jest przepisywana i powstałe
sekwencje nukleotydowe rRNA zasilają morze RNA. Źródło: Bloom i Fawcett,
Textbook Histology, Chapman i Hall, 1994.
Typy RNA
Typ
Matrycowy RNA
(mRNA)
Transportujący RNA
(tRNA)
Rybosomowy RNA
(rRNA)
Heterogeniczny RNA
(HnRNA)
Umiejscowienie
jądro i cytoplazma
cytoplazma
rybosomy i jąderka
jądro
Budowa i funkcja
Zmienne rozmiary, sekwencja zasad
komplementarna do transkrybowanego
DNA, 1 % całkowitego komórkowego kwasu
nukleinowego, okres półtrwania
7- 24 godzin
Kształt pętelki, szpilki do włosów, około 40
typów, swoiste aminokwasy, 70-90
nukleotydów w każdym tRNA
Około 80% całkowitego komórkowego RNA,
syntetyzowany i przechowywany w jąderkach
Prekursory mRNA o dużej masie
cząsteczkowej
Budowa genu
Budowa nukleotydów
Replikacja DNA. Elementy składowe
DNA. Zasady azotowe
Pirymidyny
Puryny
Podwójna helisa = podwójny helix
Elementami zmiennymi podwójnej helisy są zasady azotowe,
pozostałą część nukleotydu, tworzącą rdzeń cukrowo-fosforanowy,
jest elementem niezmiennym
Ekspresja genu – w węższym i szerszym
sensie. Biosynteza białka
Eukaryota
Prokaryota
Różnice: brak intronów w
genach prokariontów, w związku
z tym brak splicingu – procesu
dojrzewania
mRNA,
brak
sekwencji regulatorowych dla
każdego genu, zamiast tego
organizacja genów w operony,
transkrybujące
od
wspólnej
sekwencji operatora.
Ekspresja genu: pierwszy etap –
transkrypcja, drugi etap - translacja
Transkrypcja
Pasma DNA :
Kodujące --------5’TGG AAT TGT GAG CGG ATA ACA ATT TCA ATG- 3'
Matrycowe --------3’ACC TTA ACA CTC GCC TAT TGT TAA AGT TAC- 5’
(transkrybowane
ale niekodujące)
mRNA 5’ UGG AAU UGU GAG CGG AUA
ACA AUU UCA AUG-3’
Zależność między transkryptem RNA i sekwencją
jego genu. Powyżej przedstawiono kodujące i
niekodujące pasma DNA i ich polarność. Transkrypt
RNA 5’ do 3’ ma taką samą polarność i taką samą
sekwencję
jak
w
paśmie
DNA
kodującym
(nietranskrybowanym),
z
wyjątkiem
U
w
transkrypcie, zastępującym T w DNA. (wg Biochemii
Splicing mRNA
U góry: prosta ilustracja exonów i intronów w pre-mRNA oraz
powstającego na drodze splicingu dojrzałego mRNA. Sekwencje
UTRs są niekodującymi częściami exonów a także końcami mRNA
Powstawanie 3 rodzajów rRNA i formowanie
rybosomu
Składanie rybosomów z różnych białek oraz
rRNA
Mikrografia z TME ukazująca obecność milionów
rybosomów związanych z błoną ER
Morfologia rybosomów
1.Dużapodjednostka; 2.Małapodjednostka
Struktura dużej jednostki rybosomalnej; na niebiesko zaznaczone są
białka, żółtym rRNA, a czerwonym kluczowa adenina 2486 w centrum
aktywnym
Transportujący RNA tRNA
Schemat budowy cząsteczki tRNA
Przestrzenna struktura
tRNA. Pętla z antykodonem
znajduje się u dołu,
wybarwiona na niebiesko, a
antykodon jest czarny.
czarny.
Kod genetyczny
Nomenklatura: pełne nazwy
aminokwasów, skróty trzyliterowe
oraz nowe skróty, jednoliterowe,
międzynarodowe (czerwone)
Ala A alanina
gln Q glutamina
Leu L leucyna
ser
S seryna
Arg R arginina
glu E kw glutaminowy
Lys K lizyna
thr
T treonina
Asn N asparagina
gly G glicyna
met M metionina
trp W tryptofan
Asp D kw asparaginowy
his H histydyna
phe F fenyloalanina
tyr
Y tyrozyna
Cys C cysteina
ile
pro P prolina
val
V walina
I izoleucyna
Współdziałanie tRNA oraz mRNA
Translacja na rybosomie
a. Antykodon pętli tRNA łączy się z kodonem w mRNA
b. Dwie cząsteczki tRNA zajmują miejsce P (peptydylowe) oraz A –
akceptorowe
c. Przyczyna i skutek – wytworzenie wiązania peptydowego między
dwoma aa
Wynik translacji

a. Nukleotydy mRNA; b. Kodony w mRNA; c. Aminokwasy powiązane
wiązaniami peptydowymi; d. Wydłużający się peptyd
Polirybosom (polisom)
Model semikonserwatywnej replikacji DNA
Synteza DNA – replikacja w
fazie S cyklu komórkowego
w komórkach dzielących się
Powstawanie widełek replikacyjnych
Widełki replikacyjne przesuwają się w obu
kierunkach od miejsc początku replikacji, które w chromosomie
eukariotycznym występują w wielu miejscach w tym samym
czasie. Nić nr 2 jest szkicem odtwarzającym etapy replikacji
przedstawione na mikrografii znajdującej się na dole: żółte linie na
szkicu to wyjściowe łańcuchy DNA (matrycowe), a brązowe
stanowią nowo syntetyzowane łańcuchy DNA). Żródło: Podstawy
U góry, nić nr 1:
biologii komórki. Alberts i wsp., PWN, 2005.
Białka obsługujące proces replikacji
1. Helikaza – rozwijająca podwójny helix
2. Białka wiążące i stabilizujące pojedyńcze pasmo
DNA
3.Topoizomeraza – białko, które ma zdolność
rozkręcania spirali DNA, przecinania podwójnej
helisy w miejscu powstania naprężeń, naprawy
podwójnych złamań (podobnie do ligazy) ale bez
udziału energii
4. Białko zwane ruchoma obręcz
5. Prymaza (polimeraza RNA), syntetyzuje primer
RNA, który inicjuje replikację. Prymazy nie
naprawiają błędów powstających w starterach
RNA, więc mutacje występują z częstością 1nk/10
do 7 poprawnych przyłączeń. Primery powstają co
200 nk i są potem wycinane.
Ciąg dalszy białek procesu replikacji
6. Nukleazy – usuwają primery po ich wykorzystaniu
7. Polimerazy replikacyjne – budują polimer DNA, mają
zdolności redagowania DNA (naprawy).
8. Ligazy (rodzaj polimerazy DNA), łączą ze sobą fragmenty
Okazaki, wymagają energii z ATP, katalizują powstanie
wiązania fosfodiestrowe go i rdzenia cukrowofosforowego.
9. Naprawcza polimeraza DNA, uzupełnia fragmenty DNA,
wycięte przez nukleazy w miejscu obecności starterów RNA.
10.Telomeraza – katalizuje powstawanie sekwencji RNA:
CCCCAAU, do której polimeraza DNA przyłącza sekwencję
powtarzalną DNA: GGGGTTA, zlokalizowaną na końcach
chromosomu
Schemat syntezy DNA w obrębie pojedyńczych
widełek replikacyjnych
Aby
replikacja
przebiegła
prawidłowo,
podczas rozdzielenia obu nici nie może dojść
do zaburzenia ich struktury I-rzędowej.
Muszą także zostać spełnione następujące
warunki: matryca DNA musi zostać dokładnie
odczytana, dostępna musi być odpowiednia
ilość wolnych nukleotydów, podczas procesu
musi zostać zachowana komplementarność
nici.
Na koniec musi dojść do ewentualnego
uzupełnienia
braków
na
końcu
nowo
powstałego łańcucha i połączenia wiązaniami
wodorowymi nowego łańcucha z łańcuchem
macierzystym
w
podwójną
helisę.
Replikacja DNA, faza S cyklu komórkowego
Aby replikacja przebiegła prawidłowo, podczas rozdzielenia obu nici nie
może dojść do zaburzenia ich struktury I-rzędowej. Muszą także zostać
spełnione następujące warunki: matryca DNA musi zostać dokładnie
odczytana, dostępna musi być odpowiednia ilość wolnych nukleotydów,
podczas procesu musi zostać zachowana komplementarność nici. Na koniec
musi dojść do ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowo powstałego
łańcucha i połączenia nowego łańcucha z łańcuchem macierzystym w helisę.
Szybkość replikacji
-Płazy 500nk/min, tj.
8nk/s
-Ssaki: 2200 nk/min, tj. 37 nk/s
-Drożdże: 3600 nk/min, tj. 60 nk/s
-Bakterie: 50.000 nk/min, tj. 833
nk/s
-Stosunek szybkości replikacji
prokariontów do eukariontów 23:1
do 24:1
Dziękuję za uwagę