Genetyka wykład 2 28.02.2013
Każdy łańcuch ma sekwencje nukleotydów (komplementarną) swojego partnera, każdy z nich może działać jako matryca do syntezy nowego łańcucha.
Informacja genetyczna zawarta w DNA może być dokładnie powielona w tym prostym procesie. Taka sytuacja czyli zdolność każdego łańcucha do funkcjonowania w roli matrycy to umożliwia komórce replikowanie swoich genów przed przekazaniem ich komórką potomnych. Przed każdym podziałem komórkowym kopiowaniu ulegają miliardy par nukleotydów. Dzieląca komórka zwierzęca musi przeprowadzić proces szybko i dokładnie, kopiuje w ciągu 8 h ilość informacji która byłaby równoważna tysiącu zeszytom A4.
Jest to możliwe dzięki aparatowi replikacyjnemu, czyli replikacja to synteza dwóch komplementarnych łańcuchów mających identyczną sekwencje nukleotydów z helisą wyjściową. Normalnie helisa 2-niciowa jest stabilna bo utrzymują ją w położeniu wiązania wodorowe miedzy zasadami. Mogą ulec rozerwaniu przez temperaturę bliską wrzeniu wody.
Żeby pełnić funkcje matrycy musi być helisa rozpleciona z udziałem białek inicjujących, które rozrywają wiązania wodorowe i rozdzielają oby dwa łańcuchy DNA. Rozerwanie nici na krótkich odcinkach nie wymaga dużego nakładu energii i wysokiej temperatury.
Odcinki DNA w których jest to rozplatanie są nazywane początkiem replikacji w skrócie ORI. Miejsca te zawierają szczególne sekwencje nukleotydów. W komórkach prostych organizmu np. u bakterii, drożdży miejsce te obejmują odcinki kwasu DNA o długości ok. 100 par zasad. Najczęściej te miejsca pojawiają się gdzie są podwójne wiązania.
Typowy genom komórki bakteryjnej w którym jest kolista cząsteczka DNA ma 1 miejsce ORI. U człowieka gdzie genom jest duży tych miejsc ORI jest 10 000.
W trakcie replikacji można obserwować struktury DNA w kształcie Y tzw. widełki replikacyjne. Obecny w nich aparat replikacyjne przesuwa się wzdłuż Dna, rozplata L-helisę i są syntetyzowane nowe łańcuchy. Proces replikacji jest dwukierunkowy. Szybkość u bakterii wynosi 1000par zasad / sekundę, u człowieka 100 par/sekundę.
Sercem aparatu replikacyjnego jest enzym POLIMERAZA DNA. Katalizuje ona przyłączanie nukleotydów do nowo powstającego łańcucha. Nukleotydy wchodzą w reakcję bogatych trójfosforanów nukleotydów, które napędzają proces powstawania nowych łańcuchów. Nowe łańcuchy są syntetyzowane w kierunku od 5’ do 3’, stwarza to problemy w widełkach replikacyjnych. Rdzeń cukrowo fosforanowy każdej nici Dna ma swoją chemiczną kierunkowość, czyli POLARNOSĆ, która wynika ze sposobu łączenia się reszt cukrowych i 2-niciowej L-helisy.
Łańcuchy są ułożone antyrównolegle dlatego widełki są asymetryczne.
Oby dwa łańcuchy rosną w tym samych kierunku zgodnie z kierunkiem widełek.
Polimeraza DNA dodaje nowe nukleotydy tylko do końca 3’. Nowy łańcuch rośnie od 5’ do 3’ . Polimeraza jest dokładna, popełnia jeden błąd na 107 nukleotydów (raz na 10 milionów) podczas replikacji. Jeżeli utworzą się pary mniej stabilne miedzy G-T i C-A i by się one skumulowały mogłyby spowodować zabicie kom wobec tego polimeraza DNA może także korygować ewentualne błędy, ta korekta błędów dokonana przez polimerazę nazywa się REDAGOWANIEM mianowicie enzym polimeraza przed dołączeniem kolejnego nukleotydu sprawdza czy te który został dołączony jest na swoim miejscu jeśli tak to to łącza nowy jeżeli nie to go usuwa i wstawia prawidłowy .
REPILKACJA –synetza nowych łańcuchów DNA
TRANSKRYPCJA – przepisanie info genetycznej na kwas RNA ten kwas RNA występuje w kilku postaciach w tym przypadku mRNA w którym zapisana jest info o DNA
TRANSLACJA- synteza bialek czyli przyłączanie odpowiednich aminokwasów zgodnie z info zawartą na mRNA efektem końcowym jest oczywiście powstanie białka.
Jako starter do syntezy DNA służą krótkie odcinki DNA ????????????
Synteza DNA zachodzi w interfazie mejozy ( podziału redukcyjnego)
Przyłączanie nukleotydów bierze udział POLIMERAZA żeby rozpocząć syntezę potrzebny jest inny enzym który nie syntetyzuje DNA ale wytwarza krótkie odcinki kwasu rybonukleinowego (RNA) używając DNA jako matrycy .
Ten odcinek RNA ma długość około 10 nukleotydów i on służy POLIMERAZIE DNA jako miejsce startu tzw. starter Praimer , enzym który go inicjuje nazywa się PRYMAZA.
Cząsteczka RNA ma pofałdowaną strukturę, która zależy od sekwencji nukleotydów ponieważ uracyl (U) może tworzyć parę z adeniną (A).
Starter RNA jest syntetyzowany na matrycy DNA dokładnie w ten sam sposób jak DNA w przypadku syntezy nici wiodącej DNA starter RNA jest potrzebny tylko raz do rozpoczęcia replikacji w miejscu ORI.
Aby z wielu oddzielnych odcinków DNA utworzyć ciągły łańcuch DNA potrzebne są 3 dodatkowe enzymy . Enzymy te szybko usuwają starter RNA zastępują go odcinkiem DNA i łączą kolejne fragmenty DNA.
Startery DNA usuwa enzym NUKLEAZA. W miejsce usuniętego RNA enzym NAPRAWCZA POLIMERAZA DNA wprowadza deoksyrybonukleotydy a następnie kolejny enzym LIGAZA DNA , łączy fosforan na końcu jednego fragmentu DNA z końcem drugiego fragmentu .
PRYMAZA może inicjować syntezę łańcuchów ale nie może sprawdzać wyników swojej pracy . W rezultacie startery zawierają stosunkowo dużo pomyłek ale ponieważ starterami są odcinki RNA a nie DNA są one automatycznie usuwane jako podejrzane kopie i zastępowane przez DNA.
Krótki odcinek DNA zastępujący starter RNA jest wstawiany przez naprawcza POLIMERAZĘ DNA wyposażoną w mechanizm redagowania. W ten sposób system komórkowy w którym występuje aparat replikacyjny może rozpocząć syntezę nowych łańcuchów DNA i równocześnie zapewnić wierne powielanie całego DNA .
Komórki odczytują i wykonują instrukcje genetyczne poprzez procesy transkrypcji i translacji czyli przez ekspresję zawartych w nich genów .
Z jednego genu może powstać wiele identycznych cząsteczek RNA a każda z nich może kierować synteza wielu identycznych cząsteczek białka. W komórce znajduje się zwykle pojedyncza kopia jednego genu w związku z tym wielokrotnie powtarzane procesy transkrypcji umożliwiają wyprodukowanie potrzebnej ilości białka znacznie szybciej niż gdyby DNA sam był bezpośrednią matryca do ich syntezy.
Każdy z genów może ulegać transkrypcji i translacji z inna wydajnością co przekłada się na wytwarzanie dużej lub małej ilości białek. Komórki mogą również zmieniać czyli regulować ekspresję każdego z genów stosowanie do potrzeb.
Pierwszy krok jaki komórki podejmują aby odczytać info genetyczne to przepisywanie sekwencji nukleotydów DNA czyli genu na sekwencję nukleotydowe RNA i to się nazywa TRANSKRYPCJĄ.
Pomimo niewielkich tylko różnic chemicznych DNA i RNA znacznie różnią się pod względem ogólnej budowy :
* DNA występuję w komórkach zawsze w postaci 2-niciowej helisy
* RNA jest zawsze jednoniciowe , może układać się rożnie w sposób przestrzenny przez co umożliwia mu pełnienie w komórce dodatkowych funkcji poza przekazywaniem info np. funkcje strukturalne, katalityczne
DNA tylko ma funkcje magazynu info !
Cały RNA zawarty w komórce powstaje podczas transkrypcji , która jest procesem podobnym do replikacji DNA. Rozpoczyna się od rozplecenia krótkiego odcinka DNA i jeden z końców tych rozplecionych służy jako matryca do syntezy RNA (zachowana komplementarność) czyli nowo wchodzący nukleotyd musi być komplementarny do już istniejącego.
Łańcuch RNA który powstaje podczas transkrypcji nosi nazwę transkryptu jest wydłużany po 1 nukleotydzie i ma sekwencję komplementarną do nici DNA która był użyta jako matryca .
Transkrypcja różni się od replikacji DNA kilkoma cechami:
odwrotnie niż w przypadku nowo powstałego DNA łańcuch RNA nie powstaje wodorowo związany z matrycowym łańcuchem DNA
zamiast tego tuż za rejonem w którym są dołączane kolejne rybonukleotydy zostaje odtworzona helisa DNA a łańcuch RNA zostaje wyparty tak więc cząsteczki RNA które powstają w procesie transkrypcji są zawsze jednoniciowe
cząsteczki RNA są znacznie krótsze niż cząsteczki DNA ponieważ stanowią one tylko kopie tylko pewnych rejonów DNA
cząsteczki DNA chromosomu człowieka maja długość około 250 mln par zasad zaś cząsteczki RNA nie więcej niż kilka tysięcy nukleotydów
transkrypcje przeprowadza enzymy nazywane polimerazy RNA, które katalizują tworzenie się wiązań fosfodwuestrowych łączących poszczególne nukleotydy
POLIMERAZA RNA przesuwając się krok po kroku wzdłuż DNA rozplata przed sobą dwuniciowa helisę by odsłonic nic matrycowa dla RNA.
Substratami do tej reakcji są trójfosforay rybonukleozydów a wiec:
adeninotrójfosforan
cytozynotrójfosforan
guaninotrójfosforan
uracylotrójfosforan
których wysoko energetyczne wiązania dostarczają energii potrzebnej do przeprowadzenia reakcji.
Prawie natychmiastowe uwalnianie łańcucha RNA od matrycy DNA w miarę postępującej syntezy oznacza ze z jednego genu w stosunkowo krótkim czasie może powstać wiele kopi RNA zwłaszcza ze synteza nowego RNA rozpoczyna się zwykle przed zakończeniem poprzedniej syntezy.
Transkypcja średniej wielkości genów a wiec np. zawierającego 1500 par zasad przez jedna cząsteczkę polimerazy DNA trwa około 50 sekund ale na tym samym odcinku DNA może równolegle pracować 15 polimeraz co umożliwia syntezę ponad 1000 transkryptów z jednego genu w ciągu 1 godziny
Polimeraza DNA i RNA różnią się :
katalizowanymi nukleotydami
polimerazy RNA nie są wyposażone w mechanizmy sprawdzające i korygujące produkty
polimeraza RNA nie wymaga sartera do zainicjowania syntezy nowych łańcuchów RNA
polimerazy RNA przeciętnie wprowadzają błędnie 1 nukleotyd na 10 tysięcy wprowadzonych poprawnie dlatego ze RNA nie jest przewidziane do trwałego przechowywania info dlatego liczba błędów może być znacznie większa
Istniej kilka rodzajów kwasów RNA :
mRNA – info pilnuje kolejności przyłączania aminokwasów końcowy efekt białko
rRNA- które stanowi rdzeń rybosomów na których mRNA ulega translacji do białek
tRNA- transportujące RNA wyszukuje aminokwasy i doprowadza je do białek w kolejności zgodnej z zapisami w mRNA
Typowy mRNA zawiera info przepisane tylko z jednego genu kodującego pojedyncze białko
tak jest w kom eukariotycznych. W komórkach bakterii jeden mRNA często stanowi produkt transkrypcji kilku genów sąsiadujących i dlatego zawiera instrukcje do syntezy kilku różnych białek. Aby rozpocząć transkrypcję polimeraza RNA musi rozpoznać początek genu i ściśle związać się z DNA w tym miejscu
W komórkach bakteryjnych cząsteczka polimerazy RNA po napotkaniu DNA najpierw luźno się z nim łączy a następnie szybko przesuwa się wzdłuż helisy DNA aż napotka odcinek zwany miejscem paromotorowym ( PROMOTOR) i tworzy wtedy silny kompleks.
Promotor zawiera sekwencje nukleotydowe stanowiące dla polimeraz (D) ? RNA informacje o miejscu startu transkrypcji . Po wejściu w kontakt z miejscem paromotorowym polimeraza RNA rozplata od swego czoła L-helisę i uwidacznia niesparowane zasady aż enzym napotyka sygnał TERMINACJI
lub inaczej SYGNAŁ STOP, wówczas zatrzymuje się i uwalnia utworzony odcinek DNA i łańcuch RNA.