folie

Wprowadzenie
DNA i białka
W uproszczeniu: „program działania” żywego organizmu
zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie
białkowej.
Białka: łańcuchy złożone z aminokwasów (kilkadziesiąt –
kilkadziesiąt tys.). Pełnią rozmaite funkcje m. in. są budulcem
(np. kolagen), lecz przede wszystkim są enzymami
katalizującymi (tzn. przyspieszającymi) reakcje biochemiczne.
Przyroda wykorzystuje 20 standardowych aminokwasów
(zawierają grupę aminową –NH2 i karboksylową –COOH)
Przykład. Tworzenie się wiązania peptydowego.
Kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym (tzw.
struktura pierwszorzędowa) decyduje o sposobie
przestrzennego „zwinięcia się” makrocząsteczki, to zaś
określa własności fizyczne i chemiczne białka. Sekwencję
aminokwasów opisuje gen kodujący dane białko.
1
2
Nić DNA jest polinukleotydem. Pojedyncza „cegiełka”
zbudowana jest z dezoksyrybozy (cukier 5–węglowy), reszty
fosforanowej oraz jednej z czterech zasad azotowych:
• puryny: adenina (A), guanina (G)
• pirymidyny: tymina (T), cytozyna (C)
Budowa pojedynczej nici. Tzw. koniec 3’ (grupa –OH) i
koniec 5’ (fosforan).
Nici o komplementarnej sekwencji zasad łatwo łączą się w
strukturę dwuniciową.
Podwójna helisa. Przeciwnie skierowane nici DNA łączą się
parami komplementarnymi: C i G ze sobą (3 wiązania
wodorowe) oraz A i T ze sobą (2 wiązania wodorowe).
Wiązania między komplementarnymi zasadami
3
4
Nić RNA często występuje pojedynczo. Budowa podobna do
DNA.
• cukier dezoksyrybozę zastępuje ryboza
• tyminę zastępuje uracyl
Kod genetyczny i synteza białek
W genie kodującym białko kolejne aminokwasy (20 rodzajów)
opisywane są za pomocą kodonów tj. trójek nukleotydowych
(43=64). Kod genetyczny jest nieomal identyczny w całej
przyrodzie, a ew. różnice (np. geny mitochndrialne) dotyczą
odmiennego znaczenia najwyżej kilku kodonów.
• Materiał
genetyczny
(dwuniciowe
DNA)
jest
zorganizowany w tzw. chromosomy.
• U organizmów prokariotycznych (proste komórki
bezjądrowe np. bakterie, sinice) występuje jeden kolisty
chromosom zanurzony w cytoplazmie.
• Eukariotyczne
gromadzą
DNA
w
liniowych
chromosomach odizolowanych w jądrze komórkowym.
• Przy rozmnażaniu płciowym genom jest diploidalny (2
pełne zestawy chromosomów: od matki i ojca).
• Człowiek: 23 pary chromosomów, ~7mld par zasad tj. ~2
metry DNA na komórkę!
5
6
Transkrypcja („przepisywanie” DNA→RNA)
• enzym polimeraza RNA przyczepia się w pobliżu
początku genu (kodon metioniny),
• wędruje po jednej z nici (tzw. nić matrycowa – mogą być
różne dla różnych genów) w kierunku 3→5 budując
komplementarną nić RNA,
• gen kończy się kodonem STOP, a uwolniona nić mRNA
przechodzi do cytoplazmy.
Translacja (RNA→białko)
• poza jądrem tzw. rybosomy przyłączają się do mRNA,
• rybosom przesuwa się po nici (kierunek 5→3)
przyłączając do powstającego białka aminokwasy
odpowiadające kolejnym trójkom nukleotydowym,
• po odczytaniu całego genu rybosom odłącza się od nici.
Utworzone białko ulega „zwinięciu” w cytoplazmie.
7
Replikacja DNA
• zachodzi przed każdym podziałem komórki,
• zbiór kilku współpracujących enzymów rozwija
podwójną helisę, dobudowując do każdej nici drugą
komplementarną,
• kopiowanie wzorcowych nici odbywa się zawsze w
kierunku 3→5, jest to proces z korektą błędów,
• powstają dwie „identyczne” (prawie ...) podwójne helisy
przeznaczone dla komórek potomnych.
Bąbel replikacyjny zakończony parą widełek replikacyjnych
Ale wszystko czasem się psuje ...
8
Mutacje (są przekazywane komórkom potomnym po
podziale)
• synonimiczne – nukleotyd został wymieniony nie
zmieniając znaczenia kodonu,
• niesynonimiczne,
• nonsensowne – pojawia się przedwczesny kodon Stop,
• przesunięcia ramki odczytu – usunięcie (delecja) lub
wstawienie nadmiarowego (insercja) nukleotydu.
Przekłamuje resztę genu.
Bardziej rozległe rearanżacje:
• delecje dużych fragmentów nici lub jej wstawienia (np.
duplikacja genu),
• translokacje np. pomiędzy chromosomami,
• inwersje (odwrócenia) kawałka nici,
itp.
to nie takie proste ...
• Niektóre organelle komórek eukariotycznych (np.
mitochondria, chloroplasty) mają własną nić kolistego
DNA z „wewnętrznymi” genami. Np. DNA
mitochondrialne (dziedziczy się tylko po matce).
• W DNA poza genami „białek” mamy odcinki kodujące
pewne nici RNA (np. „części” do rybosomów) – po
transkrypcji nie ulegają one translacji.
• Istnieje eznym odwrotnej transkryptazy przepisujący nić
RNA na DNA (które może być później integrowane z
genomem). Wykorzystywany przez retrowirusy, ale i
niektóre transpozony zdolne do samodzielnego
powielania się w jądrze komórki („zintegrowany” z
genomem pasożyt).
• Polimeraza DNA rozpoznaje początek genu po
występującej wcześniej sekwencji promotorowej (są
różne). Transkrypcja kończy się (terminuje) za genem, po
napotkaniu odp. sekwencji – znamy je dla prokariotów.
• Genom często towarzyszą ich „popsute kopie” czyli tzw.
pseudogeny (np. brak promotora).
• Podczas tworzenia się gamet (mejoza) homologiczne
chromosomy (od matki i ojca) wymieniają się końcami
(rekombinacja). Nieprecyzyjna rekombinacja może
uszkodzić gen lub stworzyć jego zduplikowaną kopię.
• W „okolicach” genu występują rozmaite sekwencje
regulujące (wzmacniające, osłabiające) częstość jego
ekspresji (np. cząsteczki współpracujące z hormonami,
białka ułatwiające lub uniemożliwiające doczepienie
polimerazy RNA itp.). Nie bardzo wiadomo gdzie ich
szukać ...
• Tzw. transpozony czyli „skaczące geny” kodujące
enzymy zdolne do ich wycinania i przenoszenia w inne
miejsca chromosomów. Często wywołują „duże”
mutacje. Prawdopodobnie pozostałość powirusowa.
9
10
• Geny eukariotów zawierają fragmenty kodujące (eksony)
przedzielone licznymi (niekiedy kilkadziesiąt) odcinkami
niekodująymi (introny). Po transkrypcji z nici pre–
mRNA usuwa się introny i łączy kolejne eksony
(splicing). Dopiero „zredagowane” mRNA podlega
translacji. Nie wiadomo jak odróżnić w sekwencji DNA
fragmenty kodujące od intronów ...
Oznaczenia
• Σ – alfabet czyli skończony zbiór symboli (liter).
• Słowo nad alfabetem – skończony ciąg liter.
• ε – słowo puste (długości 0).
Sekwencje nukleotydów można traktować jak słowa nad
alfabetem czteroliterowym {G,C,A,T} dla DNA i {G,C,A,U}
dla RNA. Polipeptydy są słowami nad alfabetem 20–
literowym (aminokwasy).
• Σ* – zbiór wszystkich słów nad Σ; Σ+=Σ*\{ε}.
• |w| – długość słowa w∈Σ*.
• w[i] – i–ty symbol słowa
• w[i..j] – podsłowo od i–tej do j–tej litery
• wv – konkatenacja (złączenie) dwóch słów
• N, Z, Z , R, R – zbiory liczb: naturalnych, całkowitych,
+
+
całkowitych nieujemnych, rzeczywistych, rzeczywistych
nieujemnych.
11