DNA, RNA i przepływ informacji genetycznej
DNA I RNA - kwasy nukleinowe, długie, liniowe polimery. Składają się z połączonych ze sobą nukleotydów, z których każdy jest złożony z cukru, kwasu fosforowego i zasady. Cukry połączone fosforanami tworzą wspólny rdzeń cząsteczki - rola stukturalna. Informacja genetyczna przechowywana jest w sekwencji zasad leżących wzdłuż łańcucha kwasu nukleinowego.
DNA - podwójna helisa., która składa się z 2 komplementarnych nici kw.nukleinowego. Każda służy jako matryca do syntezy nowej nici w trakcie replikacji DNA. Wszyscy mają DNA, tylko niektóre wirusy tylko RNA.
DNA nie jest bezpośrednią matrycą do syntezy białek lecz jest nią informacyjny RNA, to na niego jest kopiowany DNA.
Transkrypcja - przepisanie info
Translacja - tłumaczenie na język białek.
DNA -> transkrypcja -> RNA -> translacja -> białko
Kodon - sekwencja trzech zasad. Pomiędzy transkrypcją i translacją jest jeszcze etap. Powstają wtedy introny i egzony. Introny są potem wycinane i zostają tylko egzony.
______________________________________________________________________________
4.1 KWAS NUKLEINOWY SKŁADA SIĘ Z CZTERECH RODZAJÓW ZASAD PRZYŁĄCZONYCH DO RDZENIA CUKROWO-FOSFORANOWEGO
DNA i RNA - kowalncyjna struktura. Są liniowymi polimerami zbudowanymi z połączonych ze sobą jednostek. Każdy monomer wchodzący w skład polimetu to nukleotyd. Nukleotyd składa się: cukru, kwasu fosoranowego i zasady.
DNA I RNA różnią się składnikiem cukrowym i jedną zasadą
DNA - kwas deoksyrybonukleinowy - cukier deoksyryboza. Deoksy - atom węgla 2’ cukru nie ma związanego atomu tlenu, który znajduje się przy atomie 2’ węgla rybozy. Cukry w kwasach nukleinowych są połączone mostkami fosfodiestrowymi. Grupa 3’-OH - zestryfikowana grupa fosforanowa, która jest związana z 5’-hydroksylową następnego cukru. Łańcuch połączony tymi mostkami - rdzeń. Rdzeń jest stały. DNA i RNA rożnią się zasadami.
Pochodne puryny: adenina, guanina.
Pochodne pirymidyny: cytozyna, tymina (DNA) i uracyl (RNA)
RNA - kwas rybonukleinowy - długi, nierozgałeziony polimer, połączony wziązaniami 3’ -> 5’ fosfodiestrowymi. Kowalncyjna struktura RNA od DNA różni się pod względnem 2 rzeczy. 1) jednostka cukrowa - ryboza, zawiera ona grupę 2’-hydroksylową, która nie występuje w deoksyrybozie. 2) jedną z 4 zasad jest uracyl, a nie tymina.
Mostki fosfodiestrowe - ujemny ładunek. Odpycha on grupy nukleofilowe np. jon hydroksylowy - mniejsza podatność wiązań fosfodiestrowych na atak hydrolityczny. Brak grupy 2’-hydroksylowej wzmaga odporność na hydrolizę. Przez co DNA bardziej stabilne.
Nukleotydy są monomerycznymi jednostkami kwasów nukleinowych
Nukleozyd- składa się z zasady połączonej z cukrem. 4 jednostki nukleozydowe wystepują w RNA - adenozyna, guanozyna, cytydna i urydyna. W DNA: deoksyadenozyna, deoksyguanozyna, deoksycytydyna i tymidyna. W każdym przypadku N-9 puryn i N-1 pirymidyn jest związany z C-1’ cukru. Wiązanie N-glikozydowe ma B konfigurację.
Nukleotyd- połączony nuklozyd wiązaniem estrowym z przynajmniej jedną grupą fosforanową. Najczęściej estryfikowana grupa to hydroksylowa związana z C-5’ cukru. Grupa fosforanowa przyłączona do C-5’ = nukleozydu-5-fosforan (5-nukleotyd). Np. ATP, deoksyguanozyno-3’-monofosforan (3’-dGMP). Nukleotydy połączone ze sobą są monomerami, które tworzą RNA i DNA. 4 rodzaje jednostek nukleotydowych w DNA nazywamy: deoksyadenylanem, deoksyguanylanem, deoksycytydylanem i tymidylanem.
Skróty pApCpG lub pACG oznaczają trinukleotyd DNA. p-grupa fosforanowa. Łańcuch DNA wykazuje polarność Na jednym końcu wolna grupa 5’-OH na drugim 3’-OH, żadna z nich nie połączona z innym nukleotydem. Kolejność zasad zapisuje się 5’ -> 3’.
Aby cząsteczka DNA niosła za sobą info genetyczną, by tworzyła jakiś organizm musi być zbudowana z dużej liczby nukleotydów. DNa wirusa polioma - 5100 nukelotydów. Genom E.coli jest pojedyńczą cząsteczką DNA składającą sięz 2 nici o długości 4.6 miniona nukleotydów. Genom człowieka - 3 miliardy nukleotydów, rozdzielonych między 24 odrębne cząsteczki DNA o różnej długości (22 autosomy i chromosomy płci X i Y). Najdłuższa poznana - móżdżak - coś jak jelień, ale z azji - genom zbliżony do czlowieka, ale rozdzielony tylko między trzy chromosomy.
4.2 PARA ŁAŃCUCHÓW KWASÓW NUKLEINOWYCH O KOMPLEMENTARNYCH SEKWENCJACH MOŻE TWORZYĆ DWUNICIOWĄ HELISĘ.
Specyficzne parowanie zasad pozwala tworzyć helikalną strukturę, składającą się z dwóch nici kwasu nukleinowego. Dwuniciowa struktura DNA ułatwia replikację materiału genetycznego.
Podwójną helisę stabilizują mostki wodorowe i oddziaływania hydrofobowe
Rosalind Franklin i Maurice Willkins robili sobie doświadczonko, w którym badali strukturę DNA w 3D, czyli poczynili obrazy dyfrakcji promieni rentgenowskich na włóknach DNA. (rycina 4.10 str.111) Z tych obrazków obkminili, że DNA tworzy dwa łańcuchy zwinięte w regularną strukturę helikalną. A Watson i Crick wydedukowali z tych obrazów następujące rozkminki:
1. Dwa helikalne łańcuchy polinukleotydowe oplataja wspólną oś. Łańcuchy biegną w przeciwnych kierunkach.
2. Rdzeń cukrowo-fosforanowy biegnie na zewnątrz, a zasady purynowe i pirymidynowe są zwrócone do wewnątrz helisy.
3. Płaszczyzny zasad są prawie prostopadłe do osi helisy, odległość między sąsiednimi zasadami wynosi 0,34 nm. Całkowity skręt helisy powtarza sie co 3,4 nm. Na każdy skręt helisy przypada 10 nukleotydów w każdym łańcuchu. Zasady są skręcone względem siebie pod kątem 36st. (360st. na pełny skręt helisy/10 zasad na jeden obrót).
4. Średnica helisy wynosi 2nm.
Watson i Crick odkryli se, że guanina łączy sie z cytozyną, a adenina z tyminą, tworząc pary zasad o tym samym kształcie. Pary te są utrzymywane przez specyficzne wiązania wodorowe, które są słabe (4-21 kJ/mol lub 1-5 kcal/mol), ale stabilizują helisę bardzo dobrze, bo jest ich w chuj dużo w cząsteczce DNA. Reguła parowania zasad. Edwin Chargaff stwierdził se, że stotsunki ilościowe adeniny do tyminy i guaniny do cytozyny są niemal takie same dla DNA wszystkich badanych gatunków. Zauważmy se tabele 4.1 str. 112 , w której stosunki ilościowe guanina:cytozyna i adenina:tymina są bliskie 1, a stosunek adenina:guanina waha się ZNACZĄCO XD
Wewnątrz helisy zasady są ułożone w stos, jedna nad drugą, stabilizuje to strukturę podwójnej helisy w dwojaki sposób. No kurwa, spoko. Po pierwsze primo helisa jest stabilizowana przez oddziaływania hydrofobowe, asocjacja warstwowa zasad (? XD), czyli hydrofobowe oddziaływania między zasadami, powoduje zwrócenie powierzchni o charakterze polarnym w kierunku środowiska wodnego. Taki układ przypomina zwijanie się białek. Nakładające się pary zasad przyciągają się wiązaniami van der Waalsa. Energia oddziaływan van der Pejsa jest niewielka - dla jednej pary atomów wynosi 2-4,2 kJ/mol. Ten typ wiązań ma zasadnicze znaczenie w utrzymywaniu struktury DNA, bo podwójną helise tworzy wielka liczba atomów przyciągających się wiązaniami van der Pejsa, w sensie dużo ich jest. Fajnie jest, bo dodatkowo asocjacji warstwowej zasad w DNA sprzyja również konformacja dośc sztywnych pięcioweglowych pierścieni deoksyrybozy.
Podwójna helisa ułatwia wierne przekazywanie informacji dziedzicznej
Sekwencja zasad jednej nici podwójnej helisy precyzyjnie określa sekwencję drugiej; guanina jednej nici zawsze tworzy parę z cytozyną na nici drugiej. Tak więc rozdzielenie podwójnej helisy na dwa łańcuchy dawałoby dwie jednoniciowe matryce, do których można by to jebane gówno dobudować. W rezultacie podczas replikacji DNA będziem mieć w potomnej cząsteczce DNA łańcuch sytetyzowany de novo i jeden, który w niezmienionej formie będzie pochodził z czasteczki rodzicielskiej
Takie rozdzielenie rodzicelskich cząsteczek odbywa się dzięki replikacji semikonserwatywnej.
Ostatecznie sprawdzili to Meselson i Stahl - wyznakowali izotopem azotu 15N rodzicielski DNA, aby jego gęstość była większa od zwykłego DNA. Dokonali tego chodując E. coli - dużo pokoleń na podłożu zawierającym 15NH4Cl, jako jedyne żródło azotu. Potem te bakterie przeniesiono szybko do środowiska zwierającego zwykły azot 14. I postawiono pytanie jak rozdzielą się 14 i 15 w DNA po kilku replikacjach?
Ich rozdzielenie badano techniką wirowania równowagowego w gradiencie gęstości. Małą ilość DNA rozpuszczono w chlorku cezu o ro bliskim ro DNA (1,7 g*cm-3). Wirowano go prawie do stanu równowagi. Przeciwstawne procesy sedymentacji i dyfuzji wytworzyły gradient stężenia chlorku cezu wzdłuż probówki wirówkowej. Wynikiem był ciągły gradient pd 1.66 do 1.76. Czasteczk DNA były przesuwane przez F odśrodkową do obszaru, w którym ro r-ru była równa ich własnej ro. Genomy DNA dawały wyraźne, ostre pasmo wykrywane dzięki absorbancji światła nadfioletowego. Cząsteczki 14N i 15N rozdzieliły się na 2 pasma, ponieważ różniły się gęstością - ok 1%.
DNA izolowano po różnym czasie. Analiza wykazała, że po jednym pokoleniu pojawia się pasmo DNa, którego ro jest dokładnie = średniej gęstoście 14N i 15N-DNA. Brak 15N-DNA wykazywał, że rodzicielski NA po replikacji nie jest zachowywany jako niezmienna jednostka. Brak 14N-DNA wykazywał, że wszystkie potomnie jednostki DNA pochodziły w części od DNA rodzicielskiego. Potomne do rodzicielskich - 1:1, ponieważ gęstość hybrydoweog pasma DNa była średnią gęstości 15N-DNA i 14N-DNA.
Po 2óch pokoleniach: dwa jednakowe pasma DNA: 1) zawierało hybrydowy DNA, 2) 14N-DNA. Melson z kumplem stwierdzili po tym, że azot cząs. DNA jest równo dzielony między 2 fizycznie ciągłe podjednostki i te podjed. są zachowywane przez wiele duplikacji. To zgadzało się z tym co mówił Crick z kumplem. Widzicie! W kupie siła xDXD
Dwuniciowa helisa ulega odwracalnemu topnieniu
Dwie nici podczas replikacji muszą się rozdzielić, łatwo to robią, jeśli zostaną zerwane wiązania wodorowe między parami zasad. W warunkach laboratoryjnych można to zrobić za pomocą podgrzania r-ru DNA oraz przez zakwaszenie lub alkalizację, które powodują jonizację zasad. Rozplatanie jest często nazywane topnienim (po co jeśli może być nazywane po prostu rozplataniem ? ;/) ponieważ w określonej temp. przebiega w sposób nagły. Temp., w której dochodzi do utraty połowy helikalnej struktury nazywa się temp. topnienia (Tm). We wnętrzu komórek podwójna helisa nie ulega topnieniu pod wpływem ciepła. Zamiast tego białka helikazy wykorzystują energię chemiczną pochodzącą z ATP do zrywania wiązań utrzymujących 2u niciową strukturę cząst. kwasów nukleinowych.
Asocjacja warstwowa powoduje, że 2u niciowa helisa absorbuje mniej światła niż 1no niciowa. Jest to hipochromizm.Topnienie można obserwować przy dł.światła=260 nm.
Poniżej ™ łańcuchy ulegają reasocjacji - odtwarzają strukturę 2u niciowej helisy. Nazywają to spalaniem lub annealingiem. Cząsteczki bogate w GC mają wyższą temperature topnienia (mają 3 wiązania wodorowe które trudniej zerwać niż te bogate w AT... 2 wiązania)
Wykorzystują to w labach, bo jak badają DNA to mogą wrzucić i stopić, a potem one ulegną hybrydyzacji a są z 2óch rożnych organizmów. Jak będą podobne to tworzą się hybrydowe dupleksy DNA. Stopień hybrydyzacji - wskazuje pokrewieństwo genomów.
Niektóre cząsteczki DNA są koliste i superhelikalne
W chromosomach człowieka są liniowe. Rożne metody wskazują, że niektóre organizmy mają koliste DNA, ale te co nie są uszkodzone. Koliste nie odnosi się do ich formy geometrycznej tylko do ciągłości łańcucha.
Przejściu DNA w kolistą strukturę towarzyszą nowe właściwości. Oś podwójnej helisy może sama ulec spiralizacji i wtedy tworzy superhelisę. Superhelikalna jest bardziej zwarta niż DNA w formie ‘zrelaksowanej’. Poza tym tworzenie się superhelisy może hamować lub ułatiwać rozplatanie łańcuchów w podwójnej helisie, to wpływa na oddziaływania DNA z innymi cząsteczkami.
Cząsteczka DNA, która jest kolista, a nie wykazuje żadnych dodatkowych splotów to cząsteczka zrelaksowana.
Jednoniciowe cząsteczki kwasów nukleinowych mogą tworzyć złożone struktury
Jak te jednoniciowe się zwiną to mogą tworzyć ściśle upakowane struktury. Są ważne np. w rybosomach, które są wielkimi kompleksami zlożonym z RNA i białek, i które biorą udział w syntezie białek.
Najczęściej występująca struktura to “spinka do włosów”. Powstaje w wyniku utworzenia dwuniciowej helisy przez dwie sekwencje komplementarne występujące w jednej nici kwasu nukleinowego. W większości - podwójna helisa jest utworzona w całości przez pary typu Watson-Crick, ale zdarza się, że niektóre struktury mogą zwierać fragmenty niekomplementarne. Jedna lub ileśtam zasad ulega wysunięciu poza obręb helisy. Te wysunięte destabilizują strukturę lokalną, wprowadzają odchylenia od standardowej struktury dwuniciowej i mogą być istotne dla tworzenia tych struktur wyższego rzędu i funkcji kw. nukleinowgo.
Jednoniciowe mogą tworzyć bardziej skomplikowane struktury niż spiniki xD poprzez oddziaływania pomiędzy oddalonymi od siebie zasadami. Często są one stabilizowane przez oddziaływania między 3ma czy 4ma czy więcej zasadami. Tworzą sięwtedy niestandardowe pary zasad. Donory i akceptory wiązań wodorowych są inne niż W-C. Są one cżesto stabilizowane jonami metali np. Mg2+. Dzięki nim RNA może pełnić rozmaite funkcje, niedostępne dla dwuniciowego DNA.
4.3 Replikację DNA katalizują polimerazy według instrukcji matrycy
Tera będzie molekularny opis replikacji DNA.
W kom. pełna maszyneria - ponad 20 białek, których funkcjonowanie jest koordynowane przez skomplikowane wzajemne oddziaływania. Arthur Kornberg po raz pierwszy wyizolował z E.coli enzym, który katalizuję syntezę DNA - polimerazę DNA. Polimerazy katalizują tworzenie wiązań między nukleotydami w cząsteczce DNA.W E.Coli jest kilka polimeraz - oznaczone rzymskimi liczbami.
Polimeraza DNA katalizuje tworzenie wiązań fosfodiestrowych.
Polimerazy DNA katalizują dodawanie jednostek deoksyrybonukleotydowych do łańcucha DNA. Reakcję można przedstawić tak:
(DNA)n + dNTP -> (DNA)n+1 + PPi
gdzie dNTP - jakikolwiek trifosforan deoksyrynonukleozydu, PPi - pirofosforan
Synteza DNA przebiega według zasad:
1. Konieczna obecność 5’-trifosforanów deoksyrybonukleozydów: dATP, dGTP, dTTP, dCTP oraz jonów magnezu Mg2+.
2. Nowy łańcuch DNA jest składany na już istniejącej matrycy DNA. Polimeraza DNA jest zależna od matrycy.
3. Polimerazy DNA wymagają startera - primera mającego wolną grupę 3’-hydroksylową. Elongacja łańcucha odbywa się w kierunki 5’->3’
4. Wiele polimeraz DNA może naprawiać błędy w DNA przez usuwanie niedopasowanych nukleotydów.
Geny niektórych wirusów są zbudowane z RNA
Jeden ze znanych wirusów RNA to wirus mozaiki tytoniu, zakaża liście. Zbudowany z jednej czasteczki RNA (6930 nukleotydów), otoczonej płaszczem białkowym, złożonym z 2130 podjednostek. Replikację wirusowego RNA katalizuje polimeraza RNA, czerpiąca instrukcję z matrycy RNA.
Retrowirusy, następuje u nich przepływ informacji genetycznej od RNA do DNA, a nie od DNA do RNA. Do nich należy wirus HIV wywołujący AIDS. Cząstki retrowirusa mają dwie kopie jednoniciowej cząsteczki RNA. Po wniknięciu do komórki RNA jest kopiowany na DNA dzięki odwrotnej transkryptazie. Taka wersja genomu wirusa w postaci dwuniciowego DNA wchodzi do DNA gospodarza i ulega replikacji wraz z normalnym komórkowym DNA. Genom ulega ekspresji, z utworzeniem RNA i białek wirusowych, organizujących się w nowe cząstki wirusowe.
4.4 Ekspresja genów jest przekształceniem informacji zawartej w DNA w funkcjonalne cząsteczki.
W ekspresji genów kluczową rolę odgrywa kilka rodzajów RNA
1. Informacyjny RNA (mRNA) - stanowi matrycę do syntezy białek,czyli translacji. Duża heterogenność mRNA (w kom. E.Coli jedna cz.RNA może być utworzona dla genu lub grupy genów, w kom. eukariotycznych dla każdego genu powstaje odrębna cz. RNA). Przeciętna długość mRNA to 1,2 kz. W eukariotyczym mRNA są różne formy strukturalne, np. spinki do wlosów.
2. Transportujący RNA (tRNA) - przenosi zaktywowane aminokwasy do rybosomów. Dla każdego z 20 aminokwasów istnieje co najmniej jeden rodzaj tRNA. tRNA sa zbudowane z 75 nukleotydów i mają masę 25kDa.
3.Rybosomowy RNA (rRNA) - główny składnik rybosomów. W kom. E.Coli istnieją trzy rodzaje rRNA 23S,16S,5S określane ze wzgl. na szybkość sedymentacji. Wszystkie rybosomy E.Coli maja po 1 cząst. każdego z tych RNA. rRNA katalizuje syntezę białka.
4. Małe jądrowe RNA (snRNA) bierze udział w usuwaniu intronów i łączeniu egzonów RNA.
5. Niskocząsteczkowy RNA jest ważnym składnikiem cząstki rozpoznającej sygnał (SRP), kompleks z białka i RNA, który kieruje białka na zewnątrz komórki lub do określonych przedziałów wewnatrzkomórkowych.
6. Mikro RNA (miRNA) to klasa małych ok.21nukleotydów niekodujących RNA, wiążą się do komplementarnych cząsteczek RNA i hamują ich translację.
7. Małe interferencyjne RNA (siRNA), wiążą się do mRNA i ułatwiają ich degradację. miRNA i siRNA umozliwiają hamowanie ekspresji specyficznych genów w komórce.
8. RNA jest składnikiem telomerazy, enzym odpowiadający za zachowanie telomerów podczas replikacji DNA.
Wszystkie komórkowe RNA są syntetyzowane przez polimerazy RNA.
Transkrypcja jest katalizowana przez polimerazę RNA. Polimeraza RNA katalizuje inicjację syntezy i stopniowe wydłużanie (elongację) łańcuchów RNA.
(RNA)n + trifosforan rybonukleozydu -> (RNA)n+1 + PPi
Polimeraza RNA do syntezy RNA potrzebuje:
1. Matryce. Optymalna matryca to dwuniciowy DNA. Jednoniciowy DNA też może służyć za matrycę. Jedno lub dwuniciowy RNA nie, hybrydy DNA-RNA tez NIE.
2. Aktywowane prekursory - trifosforany rybonukleozydów - ATP,GTP,UTP,CTP.
3. Dwuwartościowy jon metalu, efektywne są jony Mg2+ lub Mn2+.
Synteza RNA przebiega tak jak w DNA w kierunku 5’->3’. Podobny mechanizm elongacji: nukleofilowy atak grupy 3’-OH z końca rosnącego łańcucha na atom fosforu położony najbliżej rybozy dobudowywanego trifosforanu rybonukleozydu.
Polimeraza RNA nie wymaga odcinka startowego (tak jak w DNA). Polimeraza RNA nie ma aktywności nukleazowej, którą ma polimeraza DNA i wykorzystuje ją do usuwania błędnie wprowadzonych nukleotydów.
mRNA, tRNA, rRNA są syntetyzowane przez tą samą polimerazę RNA u bakterii E.Coli, u ssaków są różne rodzaje polimeraz.
Mechanizmik strona 121.
Polimerazy RNA czerpią instrukcje z matrycy DNA.
Skład zasad w nowo powstałym RNA jest komplementarny do nici DNA stanowiącej matrycę. Dalszych dowodów dostarczyły doświadczenia hybrydyzacyjne. Tam DNA został poddany topnieniu i pozwolono mu reasocjować w obecności mRNA. Jeśli DNA i RNA miały komplementarne sekwencje, tworzyły się hybrydy RNA-DNA.
Transkrypcja rozpoczyna się w pobliżu miejsc promotorowych i kończy się w miejscach terminacji.
Polimeraza RNA musi rozpoznać i transkrybować geny rozrzucone w długich łańcuchach DNA. Matryce DNA mają promotory, regiony wiążące polimerazy RNA i określające miejsce startu transkrypcji. W bakteriach promotorami są sekwencje po stronie 5’, czyli przed pierwszym transkrybowanym nukleotydem, jedna z nich - kaseta Pribnowa o sekwencji TATAAT, jest położona w rejonie -10 (tj. odległości 10 nukleotydów przed pierwszym nukleotydem ulegającym transkrypcji, oznaczonym +1). Drugi ważny odcinek promotorowy to rejon-35 , ma sekwencję TTGACA. Pierwszy transkrybowany nukleotyd zwykle jest nukleotydem purynowym.
Miejsca promotorowe genów eukariotycznych mają sekwencje zgodne TATAAA w rejonie -25, nazywane kasetą TATA (lub kasetą Hognessa). Wiele eukariotycznych promotorów zawiera również kasetę CAAT w obrębie sekwencji zgodnej GGNCAATCT zlokalizowanej w rejonie -75.
Transkrypcję genów eukariotycznych stymulują sekwencje wzmacniające, które mogą być bardzo odległ...
DWito