GENETYKA

Kwasy nukleinowe to związki organiczne, w których zapisana jest informacja genetyczna o cechach
i właściwościach organizmu.

Wyróżniamy dwa rodzaje kwasów nukleinowych:

• kwasy rybonukleinowe (mRNA, tRNA, rRNA)

• kwas deoksyrybonukleinowy (DNA).

Kwasy nukleinowe zbudowane są z nukleotydów.

Budowa nukleotydu

• cukier - pentoza (ryboza w RNA, deoksyryboza
  w DNA)

• zasada azotowa purynowa lub pirymidynowa przyłączona do pierwszego atomu węgla pentozy

zasady purynowe: adenina, guanina.

zasady pirymidynowe: cytozyna, tymina (DNA), cytozyna, uracyl (RNA).

• reszta kwasu fosforowego.

fragment RNA	fragment DNA

Cząsteczka DNA jest zbudowana z 2 łańcuchów polinukleotydowych skręconych wokół siebie helikoidalnie (podwójna helisa). Zasady azotowe łączą się komplementarnie, tzn. adenina (A) z tyminą (T), cytozyna (C) z guaniną (G). Pomiędzy zasadami tworzą się słabe wiązania wodorowe tzw. mostki wodorowe A=T, G≡C.

Cząsteczka RNA zbudowana jest z pojedynczej nici polinukleotydowej. Niektóre jej odcinki mogą być jednak komplementarne. Powstają wtedy charakterystyczne pętle.

Replikacja DNA

Replikacja DNA to proces, w którym cząsteczka DNA ulega powieleniu.

Łańcuchy nukleotydowe, leżące naprzeciwko siebie
w obrębie podwójnej helisy DNA, są komplementarne do siebie. Każdy z nich może służyć jako wzór, czyli matryca do tworzenia nowego łańcucha. Replikacja ma charakter semikonserwatywny.

W procesie replikacji DNA bierze udział wiele enzymów:

• helikaza - tnie wiązania wodorowe między nićmi DNA umożliwiając rozpoczęcie replikacji

• primaza - syntetyzuje starter (primer) - krótki fragment RNA umożliwiający rozpoczęcie procesu replikacji

• polimeraza DNA -dobudowuje na zasadzie komplementarności nowe nici DNA

• egzonukleaza - usuwa primery RNA z nici

• ligaza DNA - uzupełnia brakujące wiązania fosfodiestrowe w szkielecie nowozsyntezowanej nici DNA.

Replikacja w komórkach prokariotycznych rozpoczyna się w jednym miejscu.

Replikacja w komórkach eukariotycznych rozpoczyna się jednocześnie w kilku miejscach.

Synteza DNA zachodzi w określonej fazie cyklu komórkowego (faza S interfazy). Korzystanie z jednego tylko punktu startowego czyniłoby ten proces niezmiernie długim. Dlatego też proces replikacji DNA u eukariontów rozpoczyna się jednocześnie w wielu miejscach, zwanych replikonami. Synteza DNA postępuje w obu kierunkach z każdego replikonu,
aż do momentu, w którym sąsiadujące replikony łączą się i cały DNA ulega powieleniu. Nowy DNA syntetyzowany jest jedynie kierunku od 5' do 3'.
W widełkach replikacyjnych każda z dwóch nici DNA służy jako matryca do syntezy nowego DNA. Najpierw rozplatana jest podwójna helisa w rejonie widełek. Ponieważ nici rodzicielskie mają orientację antyrównoległą, replikacja może zachodzić w sposób ciągły jedynie na jednej nici o orientacji od 5' do 3' (nić wiodąca). Wzdłuż nici o orientacji od 3' do 5' (nić opóźniona) nowy DNA syntetyzowany jest w małych fragmentach (fragmenty Okazaki). Na nici tej
do zainicjowania replikacji wymagana jest obecność krótkiego odcinka RNA - startera. Starter jest syntetyzowany przez polimerazę RNA - prymazę.
Po zainicjowaniu syntezy fragmentu Okazaki starter RNA jest usuwany, a w powstałą przerwę wstawiany jest DNA przy udziale polimerazy I, po czym sąsiadujące fragmenty DNA łączone są przez ligazę DNA.

Ekspresja genu (odczytywanie informacji genetycznej)

Ekspresja genu - informacja zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi formami RNA.

Na ekspresję genu składają się następujące procesy:

• transkrypcja = przepisanie informacji z DNA na mRNA

• translacja = synteza białka na matrycy mRNA - sekwencja aminokwasów jest określona przez sekwencję nukleotydów za pośrednictwem kodu genetycznego (system trójkowy).

Proces ekspresji genu zachodzi w kilku etapach (Eukaryota):

• zainicjowanie transkrypcji przez czynniki transkrypcyjne

• synteza pre-mRNA przez polimerazę RNA

• wycinanie intronów i tworzenie dojrzałego mRNA

• transport mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy

• rozpoznanie mRNA przez rybosom

• proces translacji (syntezy białek).

Ekspresja genu zależy od rodzaju komórki, fazy rozwoju organizmu, metabolicznego/fizjologicznego stanu komórki.

Transkrypcja

Etapy transkrypcji:

Inicjacja - polimeraza RNA wiąże się z promotorem genu, zaczyna rozplatać nić DNA i inicjuje syntezę nici mRNA.

Elongacja - polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż nici DNA i syntetyzuje komplementarną do niej nić mRNA.

Terminacja - polimeraza RNA rozpoznaje sekwencję terminacyjną.

Dojrzewanie powstałego pre - mRNA

- do końca 5' dołączany jest nietypowy nukleotyd (metylo-guanozyna) = czapeczka

- do końca 3' dołączany jest łańcuch poli (A) = poliadenylacja.

Z pre-mRNA wycinane są introny - introny to fragmenty nie kodujące.

Z jednego pre-mRNA mogą powstać różne mRNA w zależności od złożenia egzonów - Egzony to fragmenty kodujące.

Proces ten to tzw. alternatywny splicing.

Dojrzały mRNA transportowany jest z jądra komórkowego do cytoplazmy, gdzie stanowi matrycę do syntezy białek w procesie translacji.

Synteza jednoniciowego mRNA na matrycy DNA
w kierunku 5' do 3' (na matrycy nici antysensownej 3' do 5'); syntezę przeprowadza polimeraza RNA II.

Translacja

Podczas translacji sekwencja kodonów zbudowanych z zasad nukleotydowych mRNA jest przekładana
na odpowiadającą jej sekwencję aminokwasów. Aminokwasy przyłączane są w kolejności określonej przez sekwencję zasad mRNA, co zachodzi przy udziale transportującego rRNA i tRNA. Każdemu aminokwasowi przypisany jest jego własny tRNA, który ma specyficzny region (antykodon), komplementarny do odpowiedniego kodonu w mRNA. W komórkach eukariotycznych translacja odbywa się poza jądrem komórkowym - na terenie cytoplazmy
w rybosomach.

Translacja rozpoczyna się procesem inicjacji, podczas którego powstaje kompleks mRNA, rybosomy i tRNA.

Następnym etapem jest etap wydłużania (elongacji), podczas którego dołączane są dalsze aminokwasy, określane przez kolejne kodony. Odbywa się to
w cyklu elongacyjnym składającym się z 3 części:
z rozpoznania kodonu, przyłączenia peptydu do kolejnej reszty aminokwasowej oraz przesunięcia rybosomu o trzy nukleotydy w kierunku końca 3' nici mRNA.

Translacja kończy się etapem terminacji, który następuje po osiągnięciu przez polimerazę jednego
z 3' kodonów terminacyjnych (UAA, UGA, UAG)
w mRNA. Ukształtowany łańcuch polipeptydowy opuszcza rybosomy ulegające wówczas dysocjacji na podjednostki.

Kod genetyczny

Kod genetyczny to sposób zakodowania struktury białek w łańcuchach DNA i RNA, umożliwiający powtarzalną syntezę białek przez organizmy żywe.

Zasady azotowe nukleotydów: U -uracyl (pi), C - cytozyna (pi), A - adenina (pu), G - guanina (pu). Aminokwasy białkowe: Fen - fenyloalanina, Leu - leucyna, Ser - seryna, Tyr - tyrozyna, Cys - cysteina, Try - tryptofan, Pro - prolina, His - histydyna, Gln - glutamina, Arg - arginina, Ileu - izoleucyna, Met - metionina, Tre - treonina, Asn - asparagina, Liz - lizyna, Wal - walina, Ala - alanina, Asp - kwas asparaginowy, Glu - kwas glutaminowy, Gli - glicyna, non - trójka nonsensowna, nie oznaczająca żadnego aminokwasu. Podane przy zasadach azotowych skróty pi - pirymidyny, pu - puryny.

Pierwsza zasada	Druga zasada				Trzecia zasada
	U	C	A	G
U	Fen Fen Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr non non	Cys Cys non Try	U C A G
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ileu Ileu Ileu Met	Tre Tre Tre Tre	Asn Asn Liz Liz	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Wal Wal Wal Wal	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gli Gli Gli Gli	U C A G

Kod genetyczny jest:

• trójkowy

• niejednoznaczny (niektóre aminokwasy mogą być kodowane przez różne kodony np. lizyna)

Mówiąc o niejednoznaczności należy zwrócić uwagę na pewne zagadnienie. Przekształcając informację zawartą w łańcuchu polipeptydowym do postaci łańcucha nukleotydowego - uzyskuje się kilka rozwiązań. W tę stronę kod jest niejednoznaczny.

Przy odtwarzaniu układu aminokwasów
w polipeptydzie z kolejno ułożonych nukleotydów otrzyma się tylko jedno rozwiązanie. W te stronę kod jest jednoznaczny.

• bezprzecinkowy.

• uniwersalny - cały świat ożywiony używa tego samego sposobu zapisu informacji
  o białkach.

Trzem kodonom nie odpowiadają żadne aminokwasy; kodony te zwane są kodonami nonsensownymi (non) lub kodonami STOP; powodują przerwanie biosyntezę białka.

Zsyntetyzowane białko ulega/może ulegać:

• pofałdowaniu (białko nabywa strukturę trzeciorzędową)

• przemieszczeniu do właściwych przedziałów
  w obrębie komórki (np. błony komórkowej, mitochondrium)

• degradacji (po uprzednim przyłączeniu do białka ubikwityny - proces ubikwitynacji białek
  i degradacja w proteasomach)

• różnym potranslacyjnym modyfikacjom
  (np. fosforylacja, modyfikacje lipidowe
  (np. palmitoilacja - przyłączenie do cząsteczki białka 16-węglowego kwasu palmitynowego).

19

---