Budowa i wlasciwosci kwasow nukleinowych

Budowa i wlasciwosci kwasow nukleinowych.

Kwasy  nukleinowe  zajmuja  wyjatkowa  pozycje  wsrod  czasteczek  chemicznych  tworzacych
materie  ozywiona.  Podwojny  heliks  DNA  zawiera  informacje  o  budowie  bialek,  a  rozne
rodzaje  RNA  decyduja  o  tym,  ze  moze  ona  ulegac  ekspresji.  Efektem  ekspresji  informacji
genetycznej  jest  zlozona  struktura  bialkowa  determinujaca  funkcje  komorek  i  calego
organizmu.  Jednoczesnie,  szczegolna  struktura  czasteczki  DNA  umozliwia  precyzyjne
powielenie  materialu  genetycznego,  bez  ktorego  nie  byloby  mozliwe  rozmnazanie  sie
organizmow oraz dziedziczenie cech.

Do kwasow nukleinowych zaliczamy:



Kwas deoksyrybonukleinowy - DNA,



Kwas rybonukleinowy - RNA.

Kwas deoksyrybonukleinowy - DNA.

DNA  -  kwas  deoksyrybonukleinowy  jest  polinukleotydowa  czasteczka,  majaca  postac
dlugiego  nierozgalezionego  podwojnego  heliksu.  Deoksyrybonukleotydy  stanowiace
podjednostki  DNA  skladaja  sie  z  zasady  azotowej  (jadnej  z  czterech),  pentozowego
pierscienia cukru - deoksyrybozy oraz reszty kwasu ortofosforanowego.

Zasady

azotowe

wchodzace

sklad

nukleotydow

(nazwa

zwyczajowa

dla

deoksyrybonukleotydow) to: adenina, guanina, cytozyna lub tymina (oznaczane kolejno jako:
A,G,C i T). Pierwsze dwie sa zasadami purynowymi, natomiast dwie ostatnie to pirymidyny.

W polinukleotydowym lancuchu deoksyrybonukleotydy polaczone sa ze soba kowalencyjnie -
wiazaniami fosfodiestrowymi, wystepujacymi miedzy sasiadujacymi resztami cukrowymi.
Tworzy to uklad: cukier - reszta fosforanowa - cukier, stanowiacy glowna nic, od korej
odchylone sa zasady.

Ponizszy rysunek przedstawia budowe zasad azotowych oraz sposob polaczenia kolejnych
deoksynukleotydow

Rysunek 1

Konce  polinukleotydowej  nici  nie  sa  rownocenne.  Wynika  to  ze  struktury  wiazania
fosfodiestrowego  w  DNA.  Reszta  fosforanowa  wiaze  ze  soba  rozne  atomy  pierscienia
cukrowego, sa to atomy wegla zwane ze wzgledu na polozenie 3' i 5.' Analogicznie do nazw
atomow wegla, z ktorymi wiaza sie reszty fosforanowe nazywane sa konce nici. Wyrozniamy
wiec  3'  koniec,  na  ktorym  znajduje  sie  grupa  -OH,  dolaczona  do  wegla  3'  oraz  koniec  5'  z
reszta fosforanowa, dolaczona do wegla 5'(patrz rysunek).

Kluczowe znaczenia dla funkcji biologicznych DNA ma jego struktura przestrzenna. Jak, juz
wspomniano czesteczka ta jest podwojnym heliksem, znaczy to, ze sklada sie z dwoch nici
polinukleotydowych owinietych wokol siebie.

Rysunek 2

Chrakterystyczne  ulozenie  obu  nici  wynika  z  wlasciwosci  fizycznych  ich  poszczegolnych
elementow.  W  roztworze  wodnym,  stanowiacym  srodowiska  wewnetrzne  komorki,  silnie
hydrofobowe  zasady  azotowe  ukladaja  sie  do  wewnatrz,  natomiast  elementy  hydrofilowe
jakimi

reszty

fosforanowe

cukrowe

polozone

zewnetrznie.

Wazne jest, ze nici tworzace heliks biegna w przeciwnych kierunkach, czyli po jednej stronie
znajduja sie konce 3' i 5'. Polaczenie polinukleotydowych nici odbywa sie przez wiazania
wodorowe miedzy zasadami azotowymi. Calosc czastki DNA mozna porownac do spiralnie

skreconej  drabiny,  gdzie  szczeblami  sa  oddzialywujace  ze  soba  zasady  azotowe,  zas
wspierajacymi  je  listwami  deoksyrybozy  polaczone  wiazaniami  fosfodiestrowymi.
Prawoskretne  skrecenie  calej  struktury  wynika  z  odleglosci  pomiedzy  poszczegolnymi
elementami,  a  liczba  nukleotydow  przypadajaca  na  pelny  obrot  heliksu  wynosi  ok.  10.5  (12
dla

sztucznie

syntetyzowanej

formy

lewoskretnej).

Strukture  podwojnego  heliksu  DNA  utrzymuja  oddzialywania  miedzy  zasadami  azotowymi.
Sa to oddzialywania specyficzne, adenina laczy sie z tymina, zas guanozyna z cytozyna (pary
A-T  i  G-C).  Zasady  tworzace  para  sa  do  siebie  komplementarne.  Ponadto  dlugosci  wiazan
wodorowych  pomiedzy  poszczegolnymi  zasadami  roznia  sie  tylko  nieznacznie,  przez  co
srednica heliksu jest niemal jednakowa na calej dlugosci.

Rysunek 3

Komplementarnosc  zasad  azotwych  jest  istotna  dla  kopiowania  informacji  genetycznej.
Sekwencja  jednej  nici,  niesie  w  sobie  kolejnosc  ulozenia  nukleotydow  w  drugiej  nici.
Rozplecenie i dobudowanie nici komplementarnych do lancuchow wyjsciowych wystarcza do
otrzymania dwoch idenycznych czasteczek DNA (Porownaj replikacja )

Kwas rybonukleinowy - RNA.

W komorce wystepuja rozne rodzaje RNA, a ich wielkosc i struktura przestrzenna jest na tyle
odmienna,  ze  kazdy  z  nich  zasluguje  na  oddzielne  omownienie.  Niemniej  jednak  czesc
elementow  budowy  RNA  jest  wspolna  dla  roznych  rodzajow  i  te  zostana  omowione  na
wstepie.

Budowa chemiczna RNA jest zblizona do DNA. Monomerami polinukleotydowej czesteczki
sa  nukleotydy,  tyle,  ze  sa  to  rybonukleotydy.  Znaczy  to,  ze  w  ich  sklad  wchodzi  reszta
fosforanowa,  zasada  azotowa  i  ryboza,  a  nie  jak  w  przypadku  DNA  3'-deoksyryboza.
Rybonukleotydy  sa  polaczone  ze  soba  wiazanimi  fosodiesrowymi  analogicznie  do  DNA.
Odmienny  jest  natomiast  sklad  zasad  azotowych,  wchodzacych  w  sklad  RNA,  wystepuje  tu
adenina, guanina i cytozyna, lecz tymina zostala zastapiona uracylem.

Uracyl, zastepujac tymine, moze tworzyc pare komplementarna z adenina.

RNA  mimo  zdolnosci  do  tworzenia  komplementarnych  par  zasad  nie  wystepuje  w  postaci
jednolitego  podwojnego  heliksu.  Jednak  zdolnosc  do  komplementowania  pozwala  na
tworzenie  roznorodnych  struktur.  Jedna  z  nich  jest  tzw.  struktura  "szpilki  do  wlosow"  (ang.
hairpin), inna, wystepujaca w tRNA, podobna do liscia koniczyny (Porownaj tRNA).

Kwasy rybonukleinowe ze wzgledu na pelnona funkcje biologiczna mozna podzielic na
szereg rodzajow, najwazniejszymi z nich sa:



mRNA (przekzywanie informacji, okreslajacej kolejnosc laczenia aminokwasow w
biosyntezie bialka),



tRNA (czasteczki przenoszace aminokwasy w procesie biosyntezy bialek i innych
szlakach anabolicznych),



rRNA (czasteczki biorace udzial w budowie rybosomu),



maloczasteczkowe RNA (czasteczki pelniace szereg funkcji w komorce, zwiazanych
z ekspresja materialu genetycznego).

Informacyjne RNA - mRNA.

Czasteczki mRNA naleza do najbardziej zroznicowanych pod wzgladem wielkosci i
stabilnosci. Ich funkcja jest przekazywanie informacji o strukturze bialek - stanowia matryce,
na ktorej polimeryzuja aminokwasy.

Czasteczka  mRNA  jest  pojedyncza  nicia  polinukleotydowa,  wystepujaca  w  roznych
postaciach  pod  wzgledem  struktury  przestrzennej  (rzadko  w  postaci  liniowej).  Czynnikami
umozliwiajacymi zroznicowanie strukturalne mRNA jest wystepowanie wiazan wodorowych
oraz chemiczny charakter poszczegolnych elementow.

Na  koncu  5'  mRNA  znajduja  sie  elementy,  ktore  decyduja  o  przylaczaniu  sie  rybosomu.  W
komorkach  prokariotycznych  jest  to  specjalna  sekwencja  nukleotydowa  (sekwencja  Shine-
Dalgarno).  U  organizmow  eukariotycznych  natomiast,  jest  to  charakterystyczna  struktura
zwana "czpeczka" (ang. cap).

Kolejnym elementem mRNA jest tzw. ramka odczytu, czyli wlasciwa sekwencja kodujaca
okreslone bialko, ograniczona sygnalami start i stop dla translacji.

Koniec 3' mRNA u organizmow eukariotycznych ma dolaczony polimer zbudowany z 200-
250 nukleotydow adenylowych (tzw. ogon poliA).

Opisujac  budowe  mRNA  nalezy  wspomniec,  ze  w  przypadku  organizmow  eukariotycznych
nie  jest  ono  bezposrednim  produktem  transkrypcji  na  matrycy  DNA.  Forma  dojrzalego
mRNA  jest  poprzedzona  wystepowaniem  jadrowego  heterogennego  RNA  (hnRNA),  ktore
dopiero  po  odpowiedniej  obrobce  (m.in.  wycieciu  intronow)  staje  sie  gotowa  matryca  do
syntezy bialek.

Transferowe

RNA - tRNA.

Czasteczki tRNA stanowia lacznik w procesie przekazywania informacji zwartej w mRNA na
jezyk aminokwasow. Ich zadaniem jest dostarczenie odpowiednich aminokwasow do stynezy
bialka. Musza zatem miec miejsce odpowiedzialne za przylaczenie sie aminokwasu oraz
czesc rozszyfrowujaca informacje niesiona przez mRNA (patrz translacja).

Czasteczki tRNA maja dlugosc od 74 do 95 nukleotydow, Wewnetrzna komplementarnosc
zasad pozwala na tworzenie charakterystycznej struktury, podobnej do liscia koniczyny. Lecz
nie jest to idealny "lisc koniczyny", gdyz obok czterech duzych ramion wystepuje dodatkowo
mniejsze, zwane ramieniem dodatkowym (to male ramie jest czesto podstawa do klasyfikacji
tRNA).

Jedno z czterech (a wlasciwie pieciu) ramion w tRNA, zwane ramieniem akceptorowym,
stanowi miejsce przylaczania sie aminokwasow. Laczenie odpowiednich aminokwasow ze
swoistymi tRNA ma charakter enzymatyczny i katalizowane jest przez odpowiednie enzymy

zwane  aminoacylo-tRNA  syntetazami  -  reakcje  te  wymagaja  energii  z  ATP.  Produkt
otrzymany  po  dolaczeniu  aminokwasu  do  tRNA  nazywany  jest  aminoacylo-tRNA.
W  kazdej  komorce  istnieje  przynajmniej  20  rodzajow  czasteczek  tRNA,  poniewaz  kazdemu
aminokwasowi  musi  odpowiadac  co  najmniej  jedno  tRNA.  Zwykle  liczba  tRNA,
odpowiadajaca danemu aminokwasowi jest wieksza od jednego (patrz kod genetyczny).

Na przeciw ramienia akceptorowego lezy ramie antykodonowe . Na jego koncu znajduje sie
trojka  nukleotydow,  ktora  rozpoznaje  komplementarna  trojke  na  nici  mRNA  podczas
translacji  (patrz  translacja).  Ten  nukleotydowy  triplet  na  czasteczce  tRNA  nazwany  zostal
antykodonem.

Wiadomo,  ze  w  sklad  jednoniciowego  lancucha  tRNA  wchodzi  wiele  zmodyfikowanych
zasad  azotowych.  Modyfikacje  te  polegaja  na  dolaczeniu  roznych  grup  funkcyjnych  i
dokonywane sa w procesie dojrzewania (obrobki posttranskrypcyjnej).

Rybosomalne RNA - rRNA.

rRNA  jest  to  czasteczka,  ktora  wraz  ze  specyficznymi  bialkami  buduje  rybosom.  W  sklad
duzej  i  malej  podjednostki  rybosomu  wchodza  rozne  rodzaje  rRNA,  ktore  w  wiekszosci
przypadkow  powstaja  na  terenie  jadra  w  wyniku  przeksztalcenia  prekursorowej  czasteczki
(wyjatkiem  jest  5s  rRNA,  ktory  powstaje  z  innej  czasteczki  prekursorowej).  rRNA  tworzy
specyficzne  strukury  przestrzenne,  w  ktorych  czesc  czasteczki  wystepuje  w  postaci
sparowanej  ,  tworzac  uklad  przypominajacy  szpilke  do  wlosow  (ang.  hair-pin),  a  pozostale
odcinki wystepuja w postaci jednoniciowej. W przyblizeniu czasteczka rRNA rybosomowego
wyglada jak klebek, w ktory powbijano szpilki.

Na  uwage  zasluguje  fakt,  ze  oprocz  rRNA  wchodzacego  w  sklad  rybosomu  na  terenie
komorki wystepuje wiele innych  rodzajow rRNA, pelniacych rozne funkcje W sumie rRNA
stanowi ok. 90% calego RNA komorkowego.

Maloczasteczkowe RNA

Czasteczki maloczasteczkowego RNA moga pelnic rozmaite funkcje w komorce, glowne z
nich to:



wycinanie intronow,



potranskrypcyjna obrobka pre-mRNA,



udzial w terminacji transkrypcji niektorych genow.

Kwasy nukleinowe jako material dziedziczny

Calosc kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), zawierajacego informacje genetyczna
organizmu nazywamy genomem.

Ze wzgledu na istotne roznice, zarowno pod wzgledem budowy, jak i wielkosci, postac w
jakiej wystepuje DNA zostanie omowiona oddzielnie dla:



organizmow prokariotycznych.



organizmow eukariotycznych

Struktura genomu organizmow prokariotycznych

BAKTERIE
DNA bakterii wystepuje w  postaci  dlugiej, kolistej helisy, nieoslonietej bialkami czasteczki.
Jednakze  nie  jest  to  struktura  zupelnie  naga,  nawinieta  jest  bowiem  na  rdzen  zbudowany  z
RNA  i  bialek  (bialka  te  sa  podobne  do  histonow,  wystepujacych  w  chromosomach

organizmow  wyzszych).  W  odroznieniu  do  komorek  eukariotycznych,  prokariota  nie  maja
oddzielnego przedzialu komorkowego, ktory oddzielalby material  genetyczny od elementow
cytoplazmatycznych.
Strukture  w  jakiej  wystepuje  genom  bakteryjny  okresla  sie  czesto  mianem  genoforu.  Jej
dlugosc

miesci

sie

granicach

700tys.

9.5

mln

par

zasad.

Genofor  bakterii  roznie  sie  od  chromosomu  Eukaryota  jeszcze  jedna  wlasciwoscia.  Geny
kodujace  bialka  stanowia  tylko  maly  procent  DNA  chromosomalnego  u  eukariota.  Reszta
przypada na powtarzajace sie sekwencje nukleotydow, ktorych funkcja nadal nie jest znana. U
bakterii natomiast prawie caly DNA genoforu to geny kodujace.

Poza glowna nicia DNA u wiekszosc Prokariota wystepuja male, kolisto zamkniete struktury
podwojnej helisy zwane plazidami.

WIRUSY
Wirusy sa czastkami zlozonymi z bialek i kwasow nukleinowych. Genom wirusow moze
moze byc budowany przez:



czasteczki DNA w postaci podwojnej helisy



czasteczki DNA w postaci jednoniciowej



czasteczki RNA

Nieznane  sa  przypadki,  aby  oba  kwasy  jednoczesnie  wchodzily  w  sklad  genomu  wirusow.
Kwasy  te  sa  zamkniete  w  bialkowa  otczke  zwana  kapsydem.  Kapsyd  w  wiekszosci
przypadkow sklada sie z kilku rodzajow bialek. Genom wirusow musi zawierac co najmniej 3
geny:



kodujacy bialko kapsydu,



kodujacy polimeraze (enzym odpowiedzialny za powielenie wirusowych kwasow
nukleinowych),



kodujacy bialko odpowiedzialne za przylaczanie sie czastki wirusa do komorki
gospodarza.

Ale trojgenowy genom wystepuje tylko u najprostrzych czastek wirusowych. Bardziej
skomplikowane maja duzo wiecej genow, np. bakteriofag T4 ok. 150, a wirus ospy ok. 300.

Na uwage zasluguje fakt, ze niektore wirusy, atakujace komorki bakteryjne, tzw. bakteriofagi
(lub w skrocie po prostu fagi), w swych genomach maja specjalne sekwencje nukleotydowe,
ktore  pozwalaja  im  na  wlaczanie  sie  do  genoforu  bakteryjnego.  Sekwencje  te  wykazuja
homologie  (podobienstwo  w  kolejnosci  nukleotydow)  z  niektorymi  fragmentami  DNA
bakterii, co pozwala im na latwa integracje.

Struktura genomu organizmow eukariotycznych

Struktura  w  jakiej  wystepuje  genom  organizmow  eukariotycznych  jest  znacznie  bardziej
skomplikowana  w  porownaniu  z  prokariontami.  Glowna  tego  przyczyna  sa  roznice  w  jego
wielkosci.  Wieksze  rozmiary  DNA  eukariontow  powoduja  koniecznosc  mocniejszego
upakowania  czasteczki.  Nawiniecie  jej  na  bialkowy  rdzen  oraz  skrecenie,  ulatwia  dokladne
rodzielenie  ogromnej  nici  DNA.  Strukura,  w  ktorej  DNA  zwiazany  jest  z  bialkami,  a
nastepnie kilkukrotnie poskrecany nosi nazwe chromosomu.

Bialka,  na  ktore  nawiniete  jest  DNA  to  histony.  Histony  wraz  z  DNA  tworza  podstawowa
strukture chromosomu zwana nukleosomem . Nukleosom to czastka o ksztalcie dysku, ktorej
bialkowa czesc buduje 8 czastek histonowych (po dwie z typu: H2A, H2B, H3, H4). Na taki
proteinowy rdzen nawinieta jest nic DNA o dlugosci ok 170 nukleotydow. Dodatkowo, obok
wpomnianego  oktameru  wystepuje  histon  H1,  ktory  odgrywa  znaczaca  role  w  dalszym
upakowaniu DNA

struktura nukleosomu

Rozwiniety  chromosom  eukariotyczny  przypomina  sznur  korali,  jednakze  nic  DNA  nie
przebiega  w  srodku  nukleosomow  lecz  jest  na  niego  nawinieta.  W  skondensowanym
chromosomie (metafazalnym) wspomniany sznur korali jest skrecony, tworzac tzw. solenoid.

Rysunek 1

Solenoid moze ulegac dalszemu skrecaniu az do osiagniecia postaci postaci maksymalnie
skondensowanej przedstawionej na rysunku struktura chromosomu metafazalnego

Lecz  chromosom  w  takiej  postaci  nie  wystepuje  przez  caly  cykl  komorkowy.  W  interfazie
DNA, wystepujace na terenie jadra komorkowego ma postac mniej lub bardziej zwinietej nici
zwiazanej  z  bialkami  matrix  jadrowej  (histonowymi  i  niehistonowymi).  Takia  postac  DNA
jadrowego  nazwano  chromatyna  W  zaleznosci  od  stopnia  skondensowania,  chromatyne
dzielimy na:



euchromatyne - forma luzna,



heterochromatyne - forma skondensowana .

Na  uwage  zasluguje  fakt,  ze  mocne  upakowanie  DNA  uniemozliwia  jego  transkrypcje.  Aby
moglo  dojsc  do  ekspresji  informacji  genetycznej  DNA  musi  wystepowac  u  luznej  postaci
(euchromatyny).

Niewielka czesc informacji dziedzicznej eukariontow znajduje sie poza jadrem komorkowym,
w postaci niewielkich czasteczek DNA zawartych w organellach komorkowych. Organellami
z wlasnym genomem sa:



mitochondria,



chloroplasty, w przypadku roslin fotosyntetyzujacych.

Wlasciwosc ta decyduje o pewnej autonomicznosci tych organelli. Jednak nie sa one w pelni
niezalezne od informacji zawartej w aparacie jadrowym. Czesc bialek mitochondrialnych i
chloroplastowych eksprymowana jest dzieki DNA jadrowemi, a nastepnie bialka te sa
transportowane do odpowiednich organelli.

Replikacja DNA

Replikacja  DNA  jest  procesem  zapewniajacym  przekazywanie  informacji  genetycznej  z
komorek rodzicielskich do komorek potomnych w sposob prawie doskonaly. Doskonalosc ta
jest uzyskiwana nie tylko dzieki precyzyjnemu mechanizmowi samej replikacji, lecz rowniez
za  sprawa  systemow  ochronnych,  zdolnych  do  wykrywania  i  naprawy  bledow.  Dzieki  tym
systemom  bledy  powstale  w  procesie  replikacji  pojawiaja  sie  najwyzej  raz  na  miliard
nukleotydow.

Bez wzgledu na to, czy komorka ma tylko jeden chromosom, czy tez ma ich wiele, DNA
ulega replikacji zawsze tylko jeden raz na kazdy cykl podzialowy .

Podstawowa  cecha  replikacji  jest  jej  semikonserwatywnosc.  Znaczy  to,  ze  synteza  nowych
nici moze zachodzic tylko z udzialem nici rodzicielskich, sluzacych jako matryce. W procesie
tym  wykorzystuje  sie  zdolnosc  zasad  azotowych,  wchodzacych  w  sklad  nukleotydow,  do
tworzenia  komplementarnych  par.  Dzieki  tej  wlasnie  wlasnosci  wystarczy  rozplatac
podwojny  heliks  DNA,  nastepnie  do  uwolnionych  w  ten  sposob  nici  dobudowac
komplementarne  nukleotydy,  aby  otrzymac  dwie  identyczne  czastaczki  DNA  (kazda  z
otrzymanych  w  ten  sposob  czastek  bedzie  miala  jedna  nic  rodzicielska  i  jedna
dosyntetyzowana na nowo).

Mowiac  o  replikacji  nalezy  wprowadzic  pojecie  replikonu.  Replikon  jest  to  jednostka
replikacji,  za  ktora  przyjeto  uwazac  odcinek  DNA,  zawierajacy  miejsce  startu  oraz
przylegajace sekwencje uczestniczace w kontroli tego prosesu.

W procesie replikacji mozna wyroznic trzy zasadnicze etapy:



inicjacje,



elongacje,



terminacje.

Inicjacja replikacji

Inicjacja,  czyli  poczatek  replikacji  zachodzi  w  scisle  okreslonych  miejscach  na  nici  DNA.
Miejsca  te  nazywaja  sie  "origin"  (w  skrocie  ori).  Zawieraja  one  specyficzne  sekwencje,
sluzace im do:



wiazania bialek inicjatorowych,



rozdzielenia nici i rozpoczecia procesu replikacji,



przylacznia bialek wspomagajacych proces replikacji.

Miejsce inicjacji jest bardzo wazne, poniewaz tylko tu moze odbywac sie kontrola repikacji.
Raz  rozpoczety  proces  musi  przebiegac  az  do  zakonczenia  syntezy  calego  replikonu.  U
bakterii replikon obejmuje caly genofor, znaczy to, ze pojedyncze miejsce inicjacji kontroluje
replikacje  calego  genomu.  Organizmy  eukariotyczne  natomiast,  maja  wiele  replikonow  w
kazdym chromosomie. Dzieki tej roznicy szybkosc replikacji genomu eukariota wielokrotnie
przewyzsza szybkosc replikacji genomu prokariota.

Rozdzielajace  sie  w  miejscu  syntezy  lancuchy  matrycowego  DNA  tworza  tzw.  "widelki
replikacyjne".  O  rozdzieleniu  heliksu  DNA  decyduja  bialka  enzymatyczne  zwane
helikazami. Wykorzystuja one energie hydrolizy ATP do zmiany ksztaltu  swojej  czasteczki
(podobnie jak bialka miesniowe), co umozliwia im wykonanie pracy mechanicznej. Helikazy
przesuwaja  sie  wzdluz  dwuniciowego  DNA,  rozdzielajac  nici  i  poszerzajac  widelki
replikacyjne.

Najwazniejszymi enzymami odpowiedzialnymi za replikacje DNA sa polimerazy DNA. Nie
maja  one  jednak  zdolnosci  do  samodzielnego  rozpoczecia  syntezy  lancuchow  DNA,  moga
jedynie  je  wydluzac.  Z  tego  powodu  synteza  DNA  zaczyna  sie  od  wbudowywania
starterowych  odcinkow  RNA,  ktore  zakonczone  sa  wolna  grupa  -OH,  na  koncu  3'.  Za
wbudowywanie  tych  odcinkow  odpowiedzialne  sa  wyspecjalizowane  enzymu  zwane
primazami.

Zatem kolejne etapy inicjacji replikacji to:



przylaczenie sie helikaz do odpowiednich sekwencji inicjatorowych,



rozplatanie podojnego heliksu i powstanie widelek replikacyjnych,



synteza starterowych odcinkow RNA przez primazy,

Elongacja replikacji

Porces elongacji, podobnie jak proces inicjacji, wymaga udzialu wielu bialek
enzymatycznych. Oprocz polimeraz DNA, glownych enzymow replikacji, potrzebnych jest
wiele

enzymow

odpowiedzialnych

katalizowanie

reakcji

analogicznych

przeprowadzanych podczas inicjacji replikacji (rozplatywanie i stabilizacja nici,
wbudowywanie starterow). Wszystkie te bialka tworza kompleks zawany replisomem.

Polimerazy syntetyzujace potomne nici DNA nie tylko nie sa zdolne do rozpoczecia replikacji
(patrz  inicjacja  replikacji),  lecz  rowniez  przylaczanie  przez  nie  nukleotydow  moze  sie
odbywac wylacznie do grup -OH (konca 3') starterow RNA. Zatem replikacja DNA przebiega
tylko w jednym kierunku - od 5' do 3' konca. Odwrotna orientacja nici w obrebie podwojnego
heliksu  pozwala  na  ciagla  synteze  tylko  jednej  nici  (tzw.  nici  wiodacej).  Druga  natomiast
musi  byc  w  postaci  krotkich  fragmentow  ,  dolaczonych  do  odcinkow  starterowych  (jest  to
tzw. nic opozniona). Fragmenty te nazwano, na czesc odkrywcy, fragmentami Okazaki.

Wytworzenie  wiazania  estrowego  miedzy  reszta  fosforanowa  a  deoksyryboza,  katalizowane
przez polimerazy, wymaga dostarczenia energii. Jak w wiekszosci syntez komorkowych, tak i
tu  energia  pochodzi  z  wysokoenergetycznych  wiazan  miedzy  resztami  kwasu  fosforowego.
Czasteczka DNA jest zbudowana z monofosfonukleotydow. Natomiast substratami do synezy
nowej  nici  w  procesie  replikacji  sa  trifosfonukleotydy  (ATP,  CTP,  GTP,  TTP),  wiec
dolaczenie

jednego

nukleotydu

wiaze

sie

rozerwaniem

dwoch

wiazan

wysokoenergetycznych.

W fazie elongacji procesu replikacji bierze udzial kilka polimeraz, roznizcych sie
funkcjonalnie:



polimeraza I - jej rola jest usuwanie odcinkow starterowych z fragmentow Okazaki
oraz wycinanie uszkodzonych odcinkow DNA w procesie naprawy,



polimeraza II - niestety funkcja metaboliczna tego enzymu nie jest dokladnie
poznana, wiadomo natomiast, ze wykazuje aktywnosc egzonukleolityczna,



polimeraza III - jest wlasciwa replikaza DNA, jej glowna funkcja jest wstawianie
nowych nukleotydow na koncu 3' nowopowstajacej nici DNA.

Funkcje polimeraz omowiono na podstawie organizmow prokariotycznych, lecz ze wzgledu
na podobienstwo tych funkcji wzgledem eukariontow nie zachodzi potrzeba oddzielnego ich
omowienia. Na uwage zasluguje jednak fakt, ze organizmy eukariotyczne maja dodatkowa
polimeraze, odpowiedzialna za replikacje DNA jadrowego.

Kolejnymi,  nie  wspomnianymi  dotad,  enzymami  koniecznymi  do  przeprowadzenia  procesu
replikacji  przez  komorke  sa  ligazy.  Ich  zadaniem  jest  laczenie  fragmentow  Okazaki  (juz  po
wycieciu starterow przez polimeraze) w jedna dluga nic.  Ligazy bakteryjne wymagaja NAD

jako koenzymu i zrodla energii, natomiast ligazy eukariotyczne wykorzystuja do tego celu
ATP.

Podsumowujac - na proces elongacji skladaja sie:



synteza fragmentow Okazaki, z wykorzystaniem odcinkow starterowych,



naprawa ewentualnych bledow, powstalych podczas trwania procesu,



wyciecie fragmentow RNA, sluzacych za startery,



laczenie (ligacja) odcinkow Okazaki w jedna dluga nic.

Terminacja replikacji

Terminacja  jest  koncowym  etapem  replikacji,  w  ktorym  dochodzi  do  polaczenia  DNA  w
kompletne  chromosomy  i  rozdzielenia  ich  pomiedzy  komorki  potomne.  Mechanizmy
terminacji u prokaroiota i eukariota znacznie roznia sie sie od siebie.

U organizmow prokariotycznych, gdzie na kolistym genoforze znajduje sie tylko jeden
replikon, za koncowy etap replikacji odpowiedaja 4 sekwencje nukleotydowe , wiazace sie z
bialkiem terminacyjnym. Bialko to bedac inhibitorem replikacji, hamuje caly proces.

U  eukariontow  sytuacja  przedstawia  sie  inaczej.  Wystepowanie  kilku  repikonow  w
replikujacym  sie  chromosomie  powoduje,  ze  do  zakonczenia  replikacji  wystarczy  fizyczne
zetkniecie  sie  dwoch  podazajacych  ku  sobie  w  przeciwnych  kierunkach  widelek
replikacyjnych.

Nie

potrzeba

specjalnych

sekwencji

terminalnych.

Odmiennie  przedstawia  sie  sytuacja  z  zakonczeniem  syntezy  chromosomow.  W
przeciwienstwie  do  kolistych  genoforow  bakteryjnych,  chromosomy  eukariotyczne
zbudowane sa z liniowych czasteczek DNA. Gdyby replikacja u organizmow eukariotycznych
konczyla sie analogicznie do prokariota to ostatni kilkunukleotydowy fragment pozostawalby
niedoreplikowany.  Na  koncu  kazdego  chromosomu  istnieja  jednak  charakterystyczne
sekwencje,  ktore  pozwalaja  na  utrzymanie  niezmiennej  dlugosci  genomow.  Sekwencje  te
zwane sa telomerami. Telomery odpowiadaja rowniez za ochrone DNA przed laczeniem sie
z

innymi

chromosomami.

Replikacja  telomerow  zachodzi  w  sposob  odmienny  od  reszty  chromosomu.  Odpowiada  za
nie  specjalny  enzym  zwany  telomeraza.  Jest  to  enzym,  ktory  w  swoim  centrum  aktywnym
zawiera  matryce  do  syntezy  telomerow  -  czasteczke  RNA.  Starterami  w  tym  procesie  sa
koncowe sekwencje telomeru pozostalego z poprzedniego cyklu replikacyjnego.

Zatem na terminacje replikacji skladaja sie nastepujace procesy:



zakonczenie syntezy nowych nukleotydow w odpowienich miejscach,



polaczenie powstalego DNA w kompletne chromosomy,



rozdzielenie chromosomow pomiedzy komorki potomne.

Ekspresja informacji genetycznej

Informacja o budowie organizmu jest zapisana w DNA, te informacje nazywamy genotypem.
Aby  genotyp  ujawnil  sie  w  postaci  obserwowalnych  cech  fenotypowych,  informacja
dziedziczna  musi  przebyc  droge  od  DNA  do  bialek  -  czyli  ulec  ekspresji.  O  tym,  ze  DNA
koduja  bialka,  a  nie  inne  zwiazki  zadecydowalo  prawdopodobnie  ich  szerokie  spektrum
funkcjonalne. Bialka stanowiac ponad polowe suchej masy komorek, wchodza w sklad prawie
wszystkich  struktur  komorkowych.  Dzieki  aktywnosci  enzymatycznej  decyduja  o  przebiegu
reakcji  chemicznych,  dodatkowo  zdolnosc  bialek  do  zmian  konformacyjnych  powoduje,  ze
moga one spelniac wiele innych funkcji.

Podczas ekspresji informacja genetyczna jest dwukrotnie przeksztalcana:



po raz pierwszy w procesie transkrypcji, ktory polega na przepisaniu informacji z
DNA na RNA z wykorzystaniem reguly komplementarnosci,



po raz drugi podczas translacji, czyli przetlumaczeniu sekwencji nukleotydow na
sekwencje aminokwasow.

Przplyw informacji w komorce mozna zatem zapisac w nastepujacy sposob:

Zapis ten byl prawidlowy az do momentu wykrycia retrowirusow. Retrowirusy maja bardzo
charakterysyczna  ceche  -  ich  materialem  genetycznym  jest  RNA.  Co  wiecej  informacja
zawarta  w  RNA  tych  wirusow  moze  byc  przepisywana  na  DNA  za  pomoca  specjalnego
enzymu  zwanego  odwrotna  transkryptaza.  Wlasnie  wykrycie  odwrotnej  transkryptazy
zlamalo  obowiazujacy  dogmat  o  przeplywie  informacji  genetycznej,  zatem  przedstawiony
wyzej schemat nalezy zmodyfikowac do nastepujacej postaci:

Transkrypcja

Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji genow, polega na "przepisaniu" kolejno zasad
z  DNA  na  RNA.  Proces  ten  jest  katalizowany  przez  polimeraze  RNA  -  enzym,  ktory
przyczepia  sie  do  DNA  na  poczatku  genu  i  syntetyzuje  RNA  komplementarne  do  jednej  z
nici. Tak powstaly RNA (po dodatkowej  obrobce) w pozniejszym  etapie ekspresji materialu
genetycznego  stanowi  matryce,  na  ktorej  syntetyzowane  sa  bialka.  Transkrypcja,  obok
translacji,  jest  zatem  kluczowym  procesem  warunkujacym  zycie  organizmow.  Dzieki  niej
mozliwe  jest  odczytanie  informacji  genetycznej,  zachowujac  jednoczesnie  nienaruszalnosc
centralnego banku informacji - podwojnej helisy DNA.

U organizmow prokariotycznych i eukariotycznych transkrypcja rozni dosc znacznie. Roznica
ta przejawia sie glownie w pierwszym etapie - inicjacji. Ze wzgledu na to proces ten zostanie
omowiony oddzielnie dla obu tych nadkrolestw.



Transkrypcja u Prokaryota



Transkrypcja u Eukaryota

Transkrypcja u organizmow prokariotycznych

Proces  transkrypcji  u  Prokaryota  rozpoczyna  sie  od  zwiazania  sie  polimerazy  RNA
(glownego  enzymu  katalizujacego)  do  odpowiedniej  sekwencji  na  DNA,  zwanej
promotorem.

Promotory sa podobne we wszystkich genach organizmow prokariotycznych. W ich budowie
istotne sa dwie, zwykle szescionukleotydowe sekwencje. Jedna z nich - polozona blizej konca
5', jest pierwsza rozpoznawana przez polimeraze.

Polimeraza  RNA  jest  enzymem  skladajacym  sie  z  czesci  rdzeniowej,  zbudowanej  z  trzech
roznych  elementow  bialkowych,  oraz  podjednostki  odpowiedzialnej  za  rozpoznawanie  i
wiazanie  sie  do  sekwencji  promotorowych.  Podjednostka  ta  nazywana  zostala  czynnikiem
sigma.  W  komorkach  prokariotycznych  istnieje  wiele  takich  czynnikow.  Wykazuja  one
specyficznosc dla okreslonych promotorow i dzieki tej wlasnosci moga wplywac na regulacje
ekspresji genow.

Aby moglo dojsc do rozpoczecia syntezy RNA, nie wystarcza zwiazanie polimerazy RNA z
elementami promotorowymi.Konieczne jest rowniez przejscowe rozdzielenie podwojnego
lancucha DNA (proces ten nazwano topnieniem).

Wszystkie wyzej opisane procesy, czyli:



rozpoznanie promotorow przez czynnik sigma,



przylaczenie polimerazy RNA do elementow promotorowych,



miejscowe rozdzielenie helisy DNA.

skladaja sie na tzw. inicjacje traskrypcji.

Kolejnym  etapem  trasnkrypcji  jest  elongacja.  W  czasie  jego  trwania  polimeraza  RNA
przesuwa sie po nici DNA, syntetyzujac RNA. Substratmi w tym procesie sa rybonukleotydy
(ATP, GTP, CTP i UTP). Energia zmagazynowana w ich wysokoenergetycznych wiazaniach
jest  wykorzystywana  do  wytwarzania  wiazan  fofodiestrowych  w  RNA.  W  trakcjie  elongacji
powstaje przejsciowa struktura hybrydowa DNA-RNA.

Omawiajac proces elongacji warto dokladniej przeanalizowac jedena czesto umykajacy
uwadze prawidlowosc dotyczaca calego procesu transkrypcji.



Czasteczka  DNA  sklada  sie  z  dwoch  pojedynczych  nici.  Jedna  z  nich  jest  wlasciwa
nicia kodujaca bialka (tzw. nic sensowna), natomiast droga, komplementarna do niej,
to  nic  niekodujaca  -  nonsensowna.  Taka  struktura  DNA  pozwala  nie  tylko  na  latwe
kopiowanie  DNA  (patrz  replikacja),  jak  i  na  przepisywanie  informacji  na  RNA.
Podczas  transkrypcji  powstajaca  nic  RNA  jest  komplementarna  tylko  do  jednej  nici
DNA  -  nonsensownej  (inaczej  mowiac  nic  nonsensowna  jest  matryca).  Dzieki  temu
nowo powstale RNA jest, co do kolejnosci nukleotydow, takie same jak nic kodujaca
(nie zapominajac o tym, ze zamiast tyminy, w RNA wystepuje uracyl).

Transkrypcja  konczy  sie  w  scisle  okreslonym  miejscu  DNA  zwanym  terminatorem.  Tu
zachodzi  oddysocjowanie  polimerazy  RNA  od  DNA.  Istnieja  dwa  mechanizmy  terminacji
transkrypcji.

Transkrypcja u organizmow eukarotycznych

W odroznieniu od organizmow prokariotycznych, u organizmow eukariotycznych istnieja trzy
rodzaje polimerazy, odpowiedzialne za "odczytywanie" roznych klas genow.

Nazwa

Produkty transkrypcji

Polimeraza I



rozne rodzaje rybosomalnego RNA (rRNA)

Polimeraza II



matrycowe RNA (mRNA)



maloczasteczkowe RNA

Polimeraza III



niektore rodzaje maloczasteczkowego RNA



transferowe RNA (tRNA)

Zaden z tych enzymow nie potrafi samodzielnie przylaczac sie do DNA. Polaczenie takie jest
mozliwe  jedynie  dzieki  specjalnym  bialkom  tzw.  czynnikom  transkrypcyjnym  (w  skrocie
TF; ang. Transcripton factor). Czynniki te lacza sie z DNA w specjalnych miejscach zwanych
promotorami.  Dla  wielu  genow  elementem  niezbednym  do  przylaczenia  sie  pierwszego
czynnika  transktypcyjnego  jest  sekwencja  TATA  (ang.  TATA-box).  Incjacja  (lub  regulacja)
genow  nie  zachodzi  tylko  przy  udziale  sekwencji  promotorowych,  czynniki  transkrypcyjne
moga  wiazac  sie  rowniez  do  tzw.  sekwencji  enhancerowych.  Enhancery  nie  musza  byc
polozone obok sekwencji kodujacej jak to jest w przypadku promotorow, moga byc oddalone
od niej nawet o 1000 par zasad lub znajdowac sie w intronie. Ich orientacja rowniez nie ma
znaczenia, enhancer funkcjonuje poprawnie nawet po odwroceniu go o 180 stopni. Wzajemne
oddzialywanie  czynnikow  transkrypcyjnych,  przylaczonych  do  promotorow  i  enhancerow,
bedacych zwykle aktywatorami, decyduje o rozpoczeciu pracy przez polimeraze RNA.

Dalszy etap transkrypcji, czyli elongacja, przebiega podobnie jak u organizmow
prokariotycznych. .

Rozny  jest  natomiast  ostatni  etap  traskrypcji  -  terminacja.  U  Eukaryota  nie  stwierdzono
czynnikow  uwalniajacych,  inne  sa  rowniez  sekwencje  odpowiedzialne  za  zakonczenie
transkrypcji.  Jednakze  brak  danych  na  temat  terminacji  nie  pozwala  na  dokladna
charakterystyke miejsc konca transkrypcji.

Produktem transkrypcji u organizmow eukariotycznych, katalizowanej przez polimeraze RNA
II,  nie  jest  gotowa  matryca  RNA  (mRNA),  jest  nim  czasteczka  prekursorowa  zwana  pre-
mRNA.  Ze  wzgledu  na  nieciaglosc  genow  eukariotycznych  i  wystepowanie  oddzielnego
przedzialu jadrowego, zsyntetyzowany transkrypt musi ulec dodatkowym przemianom (patrz
posttranskrypcyjne etapy ekspresji genu eukariotycznego).

Posttranskrypcje etapy ekspresji genow eukariotycznych

Koniecznosc posttranskrypcyjnej obrobki materialu zawierajacego informacje genetyczna
spowodowane jest dwoma cechami organizmow eukariotycznych:



Wiekszosc  genow  Eukaryota  ma  nieciagly  chrakter,  znaczy  to,  ze  skladaja  sie  one  z
naprzemiennie  wystepujacych  obszarow  kodujacych  -  eksonow  oraz  niekodujacych
intronow. Procesowi transkrypcji ulegaja zarowno introny, jak i  eksony, ale w sklad
funkcjonalnego mRNA nie moga wchodzic elementy niekodujace. Musi zatem istniec
mechanizm umozliwiajacy ich wycinanie.



Ponadto,  w  przeciwienstwie  do  Prokaryota  procesy  transkrypcji  i  translacji  sa
rozdzielone  w  czasie  i  przestrzeni.  Matrycowe  RNA  powstaje  na  terenie
kompartmentu jadrowego, natomiast translacja zachodzi w cytoplazmie. W zwiazku z
tym musza istniec struktury umozliwiajace transport mRNA do cytoplazmy.

Produktem  transkrypcji  genu  jest  zawierajaca  introny  i  niezdolna  do  eksportu  z  jadra
czasteczka  prekursorowego  mRNA  (pre-mRNA).  Taki  pierwotny  transkrypt  musi  ulec
trzem procesom, aby stac sie matryca do translacji.



Na koncu 5' dosyntetyzowana musi byc struktura odpowiedzialna za przylaczenie sie
rybosomu, tzw. czapeczka (od ang. cap proces ten nazwano capping). Czapeczka jest
zbudowana z trzech reszt fosforanowych oraz zmetylowanej guaniny.



Koniec  3'  formowany  jest  przez  specjalny  kompleks  bialkowy.  W  sklad  tego
kompleksu wchodzi poliA polimeraza, ktorej zadaniem jest dosyntetyzowanie "ogona"
zlozonego  z  samych  nukleotydow  adenylowych,  tzw.  poliA  ogon.  Taka
poliadenylacja  jest  niezbedna  do  przetransportowania  mRNA  do  cytoplazmy,
jednoczesnie  chroniac  je  przed  degradacja.  Poliadenylacja  jest  uwatunkowana
wystepowaniem specyficznych sekwencji na 3' koncu pre-mRNA.



Najbardziej skomplikowanym procesem podczas "dojrzewania" mRNA jest wycinanie
intronow,  czyli  tzw.  splicing.  W  wyciananiu  intronow  bierze  udzial  specjalny
kompleks  bialkowy  zwany  splicesomem.  Proces  ten  polega  na  odpowiednim
wypetleniu  intronow  z  udzialem  endonukelaz  i  polaczeniu  eksonow  w  jedna  nic.
Laczonie eksonow katalizowane jest ligazami. Istnieje kilka mechanizmow usuwania
intronow, m.in. samowycinanie (ang. self-splicing). W przypadku samowycinania role
katalizatorow moga pelnic czasteczki mRNA, zdolne do przyjmowania odpowiednich
konformacji

Kod genetyczny

Ekspresja  materialu  dziedzicznego  jest  uwarunkowana  istnieniem  sposobu  wedlug,  ktorego
mozna przetlumaczyc informacje genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydow na sekwencje
aminokwasow.  W  polowie  lat  piedziesiatych  zwrocono  uwage  na  pewna  zaleznosc
matematyczna  dotyczaca  kodowania  informacji  genetycznej.  Skoro  informacja  na  temat
bialek  zapisana  jest  w  postaci  DNA,  a  czasteczka  ta  sklada  sie  z  czterech  roznych

nukleotydow,  to  do  zapisania  w  niej  informacji  dotyczacej  20  elementow  (tyle  wlasnie
aminokwasow  buduje  bialka),  potrzeba  jednostek  kodujacych  zlozonych  z  trzech
nukleotydow.  Pogrupowanie  czterech  nukleotydow  z  roznymi  zasadami  w  dowolne  trojki,
pozwala  na  otrzymanie  64  kombinacji.  Ewentualne  ulozenie  ich  w  dwojki,  pozwoliloby
jedynie na uzyskanie 16 kombinacji, natomiast z ukladu czworkowego wynikloby 256, co jest
wielkoscia  zbyt  duza.  Zatem  przyroda  wybrala  mozliwie  najprostrza  wersja  zapisu
chemicznego:



Proste permutacje czterech nukleotydow zgrupowanych w trojki, daja mozliwosc
zakodowania wszystkich 20 aminokwasow.



Trojke, ktorej odpowiada jeden aminokwas nazwano kodonem.

Tabela kodu genetycznego.

UUU
Fenyloalanina

UCU
Seryna

UAU
Tyrozyna

UGU
Cysteina

UUC
Fenyloalanina

UCC
Seryna

UAC
Tyrozyna

UGC
Cysteina

UUA
Leucyna

UCA
Seryna

UAA
Stop translacji

UGA
Stop translacji

UUG
Leucyna

UCG
Seryna

UAG
Stop translacji

UGG
Tryptofan

CUU
Leucyna

CCU
Prolina

CAU
Histydyna

CGU
Arginina

CUC
Leucyna

CCC
Prolina

CAC
Histydyna

CGC
Arginina

CUA
Leucyna

CCA
Prolina

CAA
Glutamina

CGA
Arginina

CUG
Leucyna

CCG
Prolina

CAG
Glutamina

CGG
Arginina

AUU
Izoleucyna

ACU
Treonina

AAU
Asparagina

AGU
Seryna

AUC
Izoleucyna

ACC
Treonina

AAC
Asparagina

AGC
Seryna

AUA
Izoleucyna

ACA
Treonina

AAA
Lizyna

AGA
Arginina

AUG Metionina
(Inicjaca translacji)

ACG
Treonina

AAG
Lizyna

AGG
Arginina

GUU
Walina

GCU
Alanina

GAU
Kw. asparaginowy

GGU
Glicyna

GUG
Walina

GCC
Alanina

GAC
Kw. asparaginowy

GGC
Glicyna

GUA
Walina

GCA
Alanina

GAA
Kw. glutaminowy

GGA
Glutamina

GUG
Walina

GCG
Alanina

GAG
Kw. glutaminowy

GGG
Glicyna

Jak widac w tabeli kod trojkowy zapewnia 64 kombinacje. Jednak nie wszystkie z tych trojek
koduja  aminokwasy,  istnieja  bowiem  3  kodony,  stanowiace  sygnal  zakonczenia  translacji,
ktorym  nie  odpowiada  zaden  z  nich.  Pozostale  61  kodonow  ma  swoj  odpowiednik
aminokwasowy.  Latwo  wiec  zauwazyc,  ze  na  jednen  aminokwas  przypadaja  srednio  trzy
trojki  kodujace.  Przez  te  wlasciwosc  kod  genetyczny  nie  jest  wzajemnie  jednoznaczny,
inaczej mowiac jest zdegenerowany.

Mowiac o niejednoznacznosci nalezy zwrocic uwage na pewne zagadnienie.



Przeksztalcajac  informacje  zawarta  w  lancuch  polipeptydowym  do  postaci  lancucha
nukleotydowego  -  uzyskuje  sie  kilka  rozwiazan.  W  te  strone  kod  jest
niejednoznaczny.



Przy odtwarzaniu ukladu aminokwasow w polipeptydzie z kolejno ulozonych
nukleotydow otrzyma sie tylko jedno rozwiazanie. W te strone kod jest jednoznaczny.

Dodatkowa  wlasnoscia  kodu  genetycznego  jest  jego  uniwersalnosc.  Caly  swiat  ozywiony
uzywa tego samego sposobu zapisu informacji o bialkach. Wszystkie aminokwasy obecne w
bialkach  roznych  organizmow  sa  zakodowane  przy  uzyciu  tych  samych  tripletow  (wykryto
tylko nieliczne wyjatki m.in. w mitochondrialnym kodzie genetycznym).

Zatem kod genetyczny jest :



trojkowy,



zdegenerowany,



uniwersalny (w takej samej formie u prawie wszystkich organizmow),



bezprzecinkowy,

Translacja

Translacja, czyli biosynteza bialek jest ostatnim etapem ekspresji informacji genetycznej. Po
przepisaniu informacji z nukleotydowej sekwencji DNA na RNA (mRNA), translacja
pozwala na przetlumaczenie szyfru nukleotydowego na jezyk aminokwasow w bialku.

System  translacji  dziala  podobnie  zarowno  u  organizmow  prokariotycznych,  jak  i  u
eukariotycznych, z ta roznica, ze u Eucariota nastepuje przestrzenne oddzielenie transkrypcji
od  translacji  (translacja  odbywa  sie  na  terenie  cytoplazmy  co  wiaze  sie  z  koniecznosca
transportu mRNA z przedzialu jadrowego).

Przed omowieniem samego procesu translacji, nalezy wspomniec o strukturach niezbednych
do jego przeprowadzenia, sa nimi:



rybosomy,



transferowe RNA (tRNA).

Obok  tych  struktur,  w  procesie  biosyntezy  bialka  biora  udzial  rowniez:  matrycowe  RNA
(mRNA)  oraz  wysokoenergetyczne  zwiazki,  ktorych  zadaniem  jest  dostarczenie  energii
(najprawdopodobniej sa nimi czasteczki GTP).

W  procesie  translacji  poszczegolne  skladniki  musza  znalesc  sie  w  scisle  okreslonym
polozeniu  w  stosunku  do  siebie,  zatem  czasteczki  bioroce  w  nim  udzial  musza  zostac
uporzadkowane  przestrzennie.  Taka  porzadkujaca  funkcje  pelnia  rybosomy.  Latwosc
dysocjacji  i  asocjacji  obu  podjednostek  rybosomalnych  umozliwia  skutecznie  wiazanie  sie
tych organelli z mRNA oraz aminoactlo-tRNA.

Rozpoznanie odpowiedniego tripletu nukleotydowego na mRNA odbywa sie dzieki dzieki
uniwersalnej dla oddzialywan miedzy kwasami nukleinowymi regule komplementarnosci
(antykodon z tRNA musi sie laczyc z odpowiednim kodonem polozonym na mRNA).

Po zwiazaniu sie mRNA pomiedzy dwie podjednostki, w miejsca A i P rybosomu dolaczane
sa odpowiednie aminoacylo-tRNA. Pierwszym, dolaczanym do kodonu inicjatorowego
(AUG), jest zwykle aminoacylo-tRNA, zwiazane z N-formylomietionina. (tzw. f-Met-tRNA).

Dalej proces translacji zachodzi w nastepujacych po sobie cyklach. Poszczegolne fazy
jednego z takich cykli przedstawiaja sie nastepujaco:



W miejscu P rybosomu znajduje sie tRNA z dolaczonym f-Met-tRNA lub tRNA z
fragmentem lancucha polipeptydowego, jesli jest to jeden z dalszych cykli.
Oczywiscie wymienione poprzednio tRNA musza miec antykodony komplementarne
do kodonow na mRNA.



Do wolnego miejsca A dolacza sie nowy aminoacylo-tRNA z antykodonem
odpowiadajacym trojce, znajdujacej sie wlasnie w tym miejscu.



Nastepnym etapem jest wytworzenie wiazania peptydowego pomiedzy aminokwasem
znajdujacym w miejscu A a fragmentem lancucha polipeptydowego. Dzieki temu
lancuch wydluza sie o jeden aminokwas i przenoszony jest w miejsce A rybosomu.
Tworzenie lancucha polipeptydowego ma charakter enzymatyczny, katalizatorem jest
w niej fragment RNA z duzej podjednostki.



W kolejnej fazie zdeacylowany tRNA z jest odrzucany z miejsca P, a na jego miejsce
przesuwa sie tRNA z dolaczonym fragmentem polipeptydu. Towarzyszy temu
przemieszczenie sie mRNA (translokacja), przy uzyciu energii z
wysokoenergetycznych wiazan GTP. W ten sposob, ze naprzeciw wolnego juz miejsca
A pojawia sie kolejny kodon, odpowiadajacy nowemu aminokwasowi.

Proces translacji konczy sie, gdy w miejscu A pojawi sie jeden z kodonow terminacyjnych
(UGA - opal, UAA - ochre lub UAG - amber). Zadnemu z trzech kodonow stop nie
odpowiada aminokwas. W rezultacie dochodzi do dolaczenia czynnikow terminacyjnych
(RF), ktore powoduja uwalnianie polipeptydowego produktu oraz dysocjacje calego
kompleksu rybosomowego.

Powstaly polipeptyd musi ulec pewnym modyfikacjom chemicznym m.in. proteolitycznemu
obcieciu N-formylometioniny, a nastepnie przyjac odpowiednia konformacje, ktora pozwoli
na pelnienie odpowiedniej funkcji.

Włączanie i wyłączanie genów

oznawanie tr

anskrypcji i translacji genów to zaledwie część badań nad ich ekspresją. Innym

problemem jest sposób, w jaki ekspresja ta jest regulowana,  to  znaczy jak na tempo i siłę ekspresji
genu wpływają warunki zewnętrzne. Postęp w rozumieniu mechanizmów transkrypcji i translacji rzucił
światło na regulację genów. Badania genetyczne bakterii dostarczyły narzędzi i koncepcji potrzebnych
do  wyjaśnienia,  jak  regulowana  jest  ekspresja  genów.  W  pewnych  warunkach  wiele  genów
bakteryjnych  w  ogóle  nie  ulega  ekspresji,  podczas  gdy  poziom  ekspresji  innych  różni  się  nawet
kilkaset  razy.  Zmiana  warunków  może  spowodować  aktywację  genów  uprzednio  milczących  oraz
wyciszać  geny  aktywne.  Ta  cecha  pozwala  komórkom  bakteryjnym  na  dużą  elastyczność  w
dostosowaniu  się  do  zmian  środowiska  zewnętrznego  –  na  przykład  do  zmiennego  zaopatrzenia  w
składniki odżywcze lub tlen.

Ekspresja  genu  zazwyczaj  regulowana  jest  na  poziomie  transkrypcji,  czyli  syntezy  mRNA.
Najczęściej  regulowanym  etapem  jest  inicjacja  transkrypcji.  O  tym,  czy  konkretny  gen  będzie
przepisywany  na  mRNA,  czy  też  nie,  decydują  białka  wiążące  się  przejściowo  ze  specjalnymi
sekwencjami  DNA  bezpośrednio  poprzedzającymi  gen.  Oddziaływanie  białek  regulatorowych  z  DNA
może zarówno blokować transkrypcję, jak i ją umożliwiać. Odpowiednio do funkcji, białka te nazywane
są więc represorami albo aktywatorami. Aby docenić precyzję tych mechanizmów regulacji i sposób, w
jaki  pozwalają  one  komórce  bakterii  E.  coli  reagować  na  bodźce  środowiska,  najlepiej  przyjrzeć  się
konkretnemu przy

kładowi.

Enzym E. coli

β-galaktozydaza rozkłada laktozę (cukier

występujący  w  mleku)  na  dwa  prostsze  cukry:  glukozę  i
galaktozę.  Jeśli  E.  coli  rośnie  w  obecności  glukozy,
preferowanego  przez  nią  pokarmu,  nie  syntetyzuje  β-
galaktozydazy;  jeśli  jednak  jedynym  dostępnym  cukrem  jest
laktoza

– wytwarza ten enzym. Do regulacji transkrypcji służy w

genomie E. coli

kilka sekwencji DNA poprzedzających 5' koniec

odcinka  kodującego  β-galaktozydazę.  Polimeraza  RNA,  która
prowadzi  transkrypcję,  wiąże  się  z  jedną  z  nich  –  promotorem.
Druga  sekwencja

– operator – znajduje się pomiędzy

promotorem a

sekwencją kodującą ten enzym. Operator

oddziałuje  z  innym białkiem  – represorem. Związanie się białka
represorowego  z  operatorem  uniemożliwia  polimerazie  RNA
inicjację transkrypcji.

Odcinki DNA regulujące
transkrypcję genu β-
galaktozydazy E. coli

Gdy bakterii dostarczy się laktozę, cukier ten wiąże się z

białkiem  represorowym,  co  powoduje  zmianę  jego  kształtu  i
uniemożliwia  mu  wiązanie  się  z  DNA,  co  z  kolei  pozwala
polimerazie RNA na transkrypcję, powstaje mRNA, a następnie β-
galaktozydaza  i  laktoza  może  być  wykorzystana  jako  źródło
energii do wzrostu. Warto zwrócić uwagę, że tak jak w przypadku
anemii  sierpowatej,  o  aktywności  biologicznej  białka  decyduje
jego specyficzna struktura.

Różne formy represora,
obecność lub brak induktora,
odpowiednio hamuje lub
indukuje transkrypcję genu
β-galaktozydazy

Trzeba uświadomić sobie, że represor genu β-galaktozydazy rozpoznaje sekwencję operatora i

łączy się z nią. Z powodu jej długości jest bardzo mało prawdopodobne, by taka sama sekwencja
wystąpiła jeszcze w innym miejscu genomu. Dzięki temu represor nie wiąże się z innymi sekwencjami
DNA i może regulować tylko ekspresja genu β-galaktozydazy.

Oprócz negatywnej kontroli wynikającej z oddziaływania białka represorowego z operatorem, gen

ten podlega również kontroli pozytywnej.

Transkrypcja genu β-galaktozydazy wymaga aktywatora

Transkrypcja genu β-galaktozydazy może rozpocząć się tylko w obecności specyficznego aktywatora.
Jest  nim  białko  aktywne  jedynie  po  połączeniu  ze  specyficzną  małą  cząsteczką.  Pojawia  się  ona  w
komórce, kiedy w pożywce nie ma glukozy. W tym sensie cząsteczka ta jest jakby sygnałem głodu. W
warunkach  „głodu  glukozowego”  cząsteczka  ta  tworzy  kompleks  z  białkiem  aktywatorowym,  które
łączy  się  z  krótkim  odcinkiem  DNA  niedaleko  promotora  i  operatora.  Przyłączenie  kompleksu
wzmacnia  zdolność  polimerazy  RNA  do  transkrypcji  genu  β-galaktozydazy.  Oznacza  to,  że  jego
ekspresja zależy od dwóch czynników środowiskowych: braku glukozy oraz obecności laktozy.

Takiej złożonej regulacji podlega transkrypcja większości genów bakteryjnych, ale białka represorowe i aktywatorowe nie są

jedynymi elementami układu regulującego. Czasami sam białkowy produkt genu jest regulatorem własnej transkrypcji, co tworzy
układ sprzężenia zwrotnego. Syntezę mRNA może więc regulować tempo inicjacji, a także kontrola szybkości wydłużania jego
łańcucha  oraz  zmiana  prawdopodobieństwa,  że  będzie  kontynuowana  aż  do  końca  genu,  lub  też  że  skończy  się  w  jakimś
kontrolnym punkcie w jego obrębie.
       Regulacja ekspr

esji genu zachodzi również podczas translacji mRNA na polipeptyd. Także i tu najczęściej kontroli podlega

inicjacja,  czytanie  pierwszego  kodonu,  choć  również  następne  kroki  syntezy  łańcucha  polipeptydowego  mogą  jej  podlegać.
Dodatkowe  zjawiska  regulujące  mogą  też  zachodzić  podczas  przekształcania  się  ukończonego  polipeptydu  w  funkcjonalne
białko,  ponieważ  wiele  peptydów,  aby  pełnić  swoją  funkcję,  wymaga  modyfikacji,  czyli  przyłączenia  określonych  grup
chemicznych. Na przykład w hemoglobinie zawierająca żelazo cząsteczka odpowiedzialna za transport tlenu dodawana jest do
białka już po syntezie i złożeniu obu różnych łańcuchów peptydowych. Każdą taką modyfikację przeprowadza jeden bądź wiele
enzymów,  których  obfitość  lub  poziom  aktywności  także  mogą  podlegać  regulacji.  Co  więcej,  wiele  białek,  żeby  właściwie
funkcjonować,  musi  znaleźć  się  w  odpowiednim  miejscu  w  komórce.  Na  przykład  w  komórkach  eukariotycznych  białka
niezbędne  do  tworzenia  rybosomów  muszą  być  przeniesione  z  cytoplazmy,  gdzie  powstają,  do  jąderka,  gdzie  składane  są
rybosomy.  Inne  białka  muszą  być  dostarczone  do  błony  komórkowej  lub,  jak  hormony,  uwolnione  na  zewnątrz  komórki.  W
konsekwencji  kontrolowanie  transportu  białek  do  właściwego  miejsca  również  wpływa  na  poziom  ich  aktywności.  Liczne
różnorodne i złożone mechanizmy biorą udział w regulacji ilości funkcjonalnego produktu genu. Często proces ten jest swoisty
dla konkretnego genu, stanu fizjologicznego komórki lub warunków środowiska zewnętrznego.