DNA RNA podstawowe informacje

Podstawowe informacje o DNA i RNA

Struktura DNA umo

liwia przechowywanie informacji oraz samopowielanie cz

steczki

DNA  został  powszechnie  uznany  za  materiał
genetyczny  dopiero  po  opublikowaniu  przez
Jamesa  Watsona  i  Francisa  Cricka  pracy,  w
której  zaproponowali  oni  model  budowy
cząsteczki  DNA,  wyjaśniający  w  błyskotliwy
sposób  podstawowe  problemy  dotyczące
dziedziczności.

Okoliczności

związane

konstruowaniem tego modelu to jeden z
najwspanialszych

rozdziałów

historii

współczesnej  biologii.  Gdy  Watson  i  Crick
zainteresowali  się  zagadnieniem  struktury
DNA,  wiele  juŜ  wiedziano  na  temat  jego
fizycznych

chemicznych

właściwości.

Szczególny

wkład

obu

uczonych

rozwiązanie

zagadki

DNA

polegał

powiązaniu ze sobą tych informacji i
niezwykle trafnym wykorzystaniu ich do
budowy modelu, który wyjaśniał, jakie cechy
umoŜliwiają cząsteczce DNA magazynowanie
informacji

genetycznej

jednoczesne

pełnienie

roli

matrycy

procesie

samoodtwarzania się DNA.

Nukleotydy ł

zaniami kowalencyjnymi w długie polimery, w których mog

wyst

powa

w dowolnej kolejno

Jednostkami tworzącymi DNA są nukleotydy, składające się z cukru pentozy - deoksyrybozy, grupy
fosforanowej i zasady azotowej. Zasady występujące w DNA to: puryny - adenina (A) i guanina (G)
-  oraz  pirymidyny  -  tymina  (T)  i  cytozyna  (C).  Połączone  wiązaniami  kowalencyjnymi  nukleotydy
zawierają  reszty  fosforanowe  i  cząsteczki  cukru,  występujące  na  przemian,  tworzące  szkielet
cząsteczki DNA.

Plan

budowy

nukleotydowych

podjednostek  DNA  jest  taki  sam,  jak
cząsteczki  AMP  -  z  tym  tylko,  Ŝe  w
cząsteczce  cukru  przy  węglu  2'
zamiast

grupy

wodorotlenowej

znajduje się atom wodoru (stąd
nazwa deoksyryboza). (Atomy węgla
w

cząsteczkach

numeruje

się

powszechnie

zgodnie

zasadą

stosowaną  w  chemii  organicznej.  W
chemii  kwasów  nukleinowych  indeks
"prim"  przy  numerze  atomu,  np.  2',
oznacza  kolejny  atom  węgla  w
cząsteczce  cukru  dla  odróŜnienia  go
od  atomów  węgla  zasady.)  Zasada
azotowa  dołączona  jest  do  węgla  l'
cząsteczki  cukru,  natomiast  reszta
fosforanowa  połączona  jest  z  węglem
5'.  Nukleotydy  łączą  się  ze  sobą
wiązaniem  kowalencyjnym,  w  którym
uczestniczą  atom  węgla  3'  jednej
cząsteczki  cukru  i  grupa  fosforanowa
występująca  przy  atomie  węgla  5'
drugiej  cząsteczki  cukru;  wiązanie

takie  nosi  nazwę  wiązania  3',  5'-fosfodiestrowego.  Teoretycznie  istnieje  moŜliwość  tworzenia
nukleotydowych polimerów o nieskończonej długości. Wiemy obecnie, Ŝe większość cząsteczek DNA
występujących  w  komórkach  zawiera  miliony  nukleotydów  i  Ŝe  kolejność  ich  występowania  moŜe
być bardzo róŜna. W pojedynczej nici DNA moŜna wyróŜnić kierunek; niezaleŜnie jak długa jest nić,
na jednym jej końcu występuje nie związany z innym nukleotydem atom węgla 5' cząsteczki cukru
(tzw.  wolny  koniec  5').  a  na  drugim  końcu  -  nie  związany  z  innym  nukleotydem  atom  węgla  3'
cząsteczki cukru (tzw. wolny koniec 3').

DNA zbudowany jest z dwóch oplecionych wokół siebie nici polinukleotydowych, które tworz

podwójny heliks

WaŜnych informacji o budowie DNA dostarczyły badania dyfrakcji promieni X (promienie rentgena)
na kryształach oczyszczonego DNA. Badania te prowadziła Rosalinda Franklin w laboratorium M. H.
F. Wilkinsa. Pomiar dyfrakcji promieni X stanowi bardzo skuteczną metodę wyznaczania odległości
między  atomami  w  cząsteczkach  ułoŜonych  w  regularne,  powtarzające  się  struktury  krystaliczne.
Długość  fali  promieni  X  jest  tak  mała,  Ŝe  są  one  rozpraszane  przez  elektrony,  które  otaczają
tworzące  cząsteczkę  atomy.  Atomy  o  duŜej  gęstości  elektronowej  (np.  fosfor,  tlen)  powodują
silniejsze ugięcie promieni X niŜ atomy zawierające mniejszą liczbę elektronów (tj. atomy o niŜszej
liczbie  atomowej).  Gdy  kryształ  zostaje  naświetlony  wiązką  promieni  X  o  duŜej  intensywności,
promienie  te  ulegają  charakterystycznemu  rozproszeniu  (ugięciu)  spowodowanemu  regularnym
ułoŜeniem atomów w krysztale. Wzór rozpraszania promieni X wygląda na kliszy jak zbiór ciemnych
plamek.  Analiza  matematyczna  ułoŜenia  i  odległości  między  plamkami  umoŜliwia  precyzyjne
określenie odległości między atomami i ich ułoŜenia w cząsteczce.

W okresie, gdy Watson i Crick
zaczęli zajmować się problemem
struktury

DNA,

Franklin

dysponowała juŜ zdjęciami, które
ukazywały

klarownie

charakterystyczny dla DNA wzór
rozpraszania.

Zdjęcia

wskazywały jasno, Ŝe badana
struktura jest typu helikalnego
oraz

Ŝe

cząsteczce

DNA

występują

trzy

główne,

powtarzające

się

regularnie

elementy

struktury,

których

okresy powtarzalności wynoszą
odpowiednio 0,34 nm, 3,4 nm i
2,0

nm.

Franklin

Wilkins

wywnioskowali  z  tych  danych,  Ŝe
zasady  (które  są  płaskie)  ułoŜone
są  w  DNA  jedna  nad  drugą  w
postaci

stosu,

podobnie

jak

szczeble drabiny. Korzystając z tej
informacji

Watson

Crick

przystąpili

budowania

powiększonych

odpowiedniej

skali  modeli  składników  DNA,  a
następnie  zaczęli  dopasowywać  je
do siebie tak, by uzyskać zgodność
z wynikami doświadczeń.
W  wyniku  szeregu  prób  dwaj
uczeni  zbudowali  wreszcie  model
zgodny  z  istniejącymi  danymi.

Wymiary cząsteczki odpowiadały tym, które wynikały z pomiarów dyfrakcji tylko wówczas, gdy DNA
zbudowany był z dwóch łańcuchów polinukleotydowych zwiniętych w podwójny heliks. W modelu
Watsona i Cricka szkielet fosforanowo-cukrowy dwóch łańcuchów przebiega po zewnętrznej stronie
heliksu. Zasady naleŜące do dwóch leŜących naprzeciw siebie łańcuchów tworzą pary wypełniające
środek struktury. Model ukazywał od razu przyczynę istnienia periodyczności 0,34 nm i 3,4 nm.
KaŜda para zasad oddalona jest dokładnie o 0,34 nm od pary leŜącej nad nią i pary leŜącej pod nią.
PoniewaŜ na jeden pełny skręt heliksu przypada 10 par zasad, długość kaŜdego skrętu wynosi 3,4

nm. Aby zachować zgodność modelu z danymi doświadczalnymi, dwa łańcuchy tworzące cząsteczkę
DNA  musiały  przebiegać  w  przeciwnych  kierunkach.  KaŜdy  koniec  podwójnego  heliksu  musi  mieć
zatem wolną resztę 5' fosforanową na jednym łańcuchu i wolną grupę 3' wodorotlenową na drugim.
PoniewaŜ  łańcuchy  polinukleotydowe  w  cząsteczce  DNA  przebiegają  w  przeciwnych  kierunkach,
nazywa się je przeciwbieŜnymi.

W dwuniciowym DNA pomi

dzy adenin

i tymina oraz pomi

dzy guanin

i cytozyn

tworz

zania wodorowe

Inne załoŜenia, które posłuŜyły do budowy modelu, uzyskano dzięki pomysłowemu powiązaniu
danych chemicznych z wynikami badań nad dyfrakcją promieni X. W 1950 r. Erwin Chargaff i jego
współpracownicy z Uniwersytetu Columbia oznaczyli skład zasad w cząsteczkach DNA
pochodzących komórek wielu róŜnych organizmów. Ustalili oni prostą prawidłowość o istotnym dla
budowy DNA znaczeniu. NiezaleŜnie od źródła, z jakiego pochodził DNA, jak to sformuał Chargaff,
"ilościowy stosunek puryn do pirymidyn, a takŜe adeniny do tyminy oraz guaniny do cytozyny jest
zawsze bliski jedności". Innymi słowy, w cząsteczce DNA A=T i G=C.

Na  podstawie  wyników  badań  dyfrakcji  promieni  X  ustalono,  Ŝe  podwójny  heliks  ma  ściśle
określoną  i  stałą  szerokość,  na  co  wskazywał  okres  powtarzalności  2,0  nm.  Obserwacja  ta  ma
związek  z  regułą  Chargaffa.  ZauwaŜmy,  Ŝe  pirymidyny  (cytozyna  i  tymina)  mają  tylko  po  jednym
pierścieniu,  są  zatem  mniejsze  niŜ  dwupierścieniowe  puryny  (adenina  i  guanina).  Obserwacje
dokonane  na  modelach  nasunęły  Watsonowi  i  Crickowi  myśl,  Ŝe  gdyby  kaŜdy  "szczebel  drabiny"
(łączący obie nici) składał się z jednej cząsteczki puryny i jednej cząsteczki pirymidyny, szerokość
heliksu  wynosiłaby  dokładnie  2,0  nm;  w  miejscu  połączenia  dwóch  zasad  purynowych  (z  których
kaŜda  ma  szerokość  1,2  nm)  odległość  między  nićmi  musiałaby  być  większa  niŜ  2,0  nm,  a  w
miejscach połączenia dwóch pirymidyn odległość musiałaby być mniejsza niŜ 2,0 nm.

Dalsze prace nad modelem doprowadziły do ustalenia, Ŝe adenina moŜe łączyć się w parę z

tymina, a guanina z cytozyną, dzięki tworzącym się między nimi wiązaniom wodorowym;
połączenie między cytozyną a adeniną i guanina a tyminą prowadzi do powstania korzystnego

układu wiązań wodorowych.

Sposób

połączenia

adeniny

tyminą  i  guaniny  z  cytozyną  za  pomocą
wiązań wodorowych wygląda następująco:
adeninę  z  tyminą  łączą  dwa  wiązania
wodorowe,  a  guaninę  z  cytozyną  -  trzy.
Powstawanie  specyficznych  par  A-T  i  G-C
doskonale  tłumaczy  regułę  Chargaffa.
Liczba  cząsteczek  cytozyny  musi  być
równa

liczbie

cząsteczek

guaniny,

poniewaŜ  kaŜdej  cząsteczce  cytozyny  w
jednej  nici  odpowiada  cząsteczka  guaniny
w  drugiej  nici.  Analogicznie,  kaŜdej
cząsteczce

adeniny

jednej

nici

odpowiada cząsteczka tyminy w nici
drugiej. Sekwencje zasad w obu niciach są
zatem

elementarne

(uzupełniają

się

nawzajem), ale nie identyczne. Mówiąc
inaczej, sekwencja nukleotydów w jednej
nici

DNA

wymusza

komplementarną

sekwencję nukleotydów w drugiej nici. Na
przykład, jeśli kolejność nukleotydów w
jednej nici jest:

3' AGCTAC 5'

to druga nić musi mieć komplementarną
sekwencję:

5' TCGATG 3'

Model  podwójnego  heliksu  wyraźnie  sugeruje,  Ŝe  w  sekwencji  zasad  w  DNA  moŜe  być  zawarta
informacja  genetyczna.  Ograniczenie  dowolności  łączenia  się  zasad  w  pary  w  Ŝaden  sposób  nie
wpływa  na  moŜliwość  występowania  róŜnorodnych  sekwencji,  których  liczba  w  łańcuchu
polinukleotydowym  jest  w  zasadzie  nieograniczona.  PoniewaŜ  cząsteczki  DNA  występujące  w
komórkach  zbudowane  są  z  milionów  nukleotydów,  moŜe  być  w  nich  zawarta  ogromna  ilość
informacji.

Replikacja DNA jest semikonserwatywna: ka

da dwuniciowa cz

steczka DNA zawiera ni

star

oraz nowo zsyntetyzowan

Dwie wyraźnie rzucające się w oczy
cechy modelu DNA stworzonego przez
Watsona i Cricka wskazywały, Ŝe DNA
jest najprawdopodobniej materiałem
genetycznym.

Jedna

nich,

wspomniana

juŜ

moŜliwość

kodowania

informacji

postaci

sekwencji zasad. Drugą, niezwykłą
cechą

modelu

jest

moŜliwość

precyzyjnego kopiowania zawartej w
sekwencji zasad informacji, czyli
replikacji

DNA.

Biologiczny

sens

replikacji był dla twórców modelu
oczywisty, czego potwierdzeniem było
słynne juŜ stwierdzenie zamieszczone
na końcu ich pierwszego, krótkiego
doniesienia:

"Nie

uszło

naszej

uwadze, Ŝe postulowane przez nas
specyficzne

łączenie

się

zasad

sugeruje natychmiast prawdopodobny
mechanizm

kopiowania

materiału

genetycznego".

Z reguły komplementarności

zasad wypływa wniosek, Ŝe kaŜda nić
w  cząsteczce  DNA  moŜe  słuŜyć  jako
matryca  do  syntezy  nici  biegnącej  w
przeciwnym  kierunku.  Proces  taki
wymagałby

zerwania

wiązań

wodorowych pomiędzy obiema nićmi

w  celu  ich  rozdzielania.  KaŜda  z  rozdzielonych  nici  mogłaby  dobudowywać  na  zasadzie
komplementarności  kolejne  nukleotydy,  aŜ  zostałaby  odtworzona  nić  siostrzana.  W  rezultacie
powstałyby  dwie  cząsteczki  DNA  o  strukturze  podwójnego  heliksu,  takie  same  jak  cząsteczka
wyjściowa  (rodzicielska).  KaŜda  z  nich  miałaby  jedną  starą  nić,  pochodzącą  z  cząsteczki
rodzicielskiej,  oraz  drugą,  nowo  zsyntetyzowaną  nić  komplementarną  do  starej.  Taki  sposób
kopiowania informacji zawartej w DNA nosi nazwę replikacji semikonserwatywnej.

Stwierdzenie,  Ŝe  DNA  powiela  się  według  opisanego  wyŜej  mechanizmu,  umoŜliwiło  wyjaśnienie
trzeciej  istotnej  cechy  materiału  genetycznego,  jaką  jest  zdolność  do  mutowania.  Mutacje,  czyli
zmiany genetyczne, następują w genach i są wiernie przekazywane potomstwu. Model podwójnego
heliksu  skłaniał  do  przyjęcia  koncepcji,  zgodnie  z  którą  mutacje  polegają  na  zmianie  sekwencji
zasad w DNA. JeŜeli kopiowanie DNA jest wynikiem tworzenia łańcucha komplementarnych zasad,
kaŜda  zmiana  sekwencji  zasad  w  jednej  nici  powodowałaby  powstanie  nowego  układu  zasad  w
kolejnym  cyklu  replikacyjnym.  Nowa  sekwencja  zasad byłaby  przenoszona  na  cząsteczki  potomne
dzięki  takiemu  samemu  mechanizmowi  replikacji,  jaki  został  wykorzystany  do  kopiowania
cząsteczki  wyjściowej,  działającemu  niezmiennie  w  taki  sam  sposób,  niezaleŜnie  od  zmiany,  jaka
się  dokonała  w  sekwencji  zasad.  Jakkolwiek  semikonserwatywny  mechanizm  replikacji
zaproponowany  przez  Watsona  i  Cricka  był  (i  jest)  prosty  i  przekonujący,  wymagał  on
potwierdzenia  eksperymentalnego.  Przede  wszystkim  trzeba  było  wykluczyć  kilka  innych
moŜliwości.  Na  przykład  zgodnie  z  konserwatywnym  mechanizmem  replikacji  obie  nici

rodzicielskiego

DNA

pozostawałyby  stale  razem,  a
nici  potomne  tworzyłyby  nowy
podwójny  heliks.  W  wyniku
jeszcze

innego

moŜliwego

sposobu

samopowielania

się

DNA, zwanego dyspersyjnym,
powstawałyby

cząsteczki,

których kaŜda z nici byłaby
złoŜona

pewnej

liczby

fragmentów starych nici oraz
pewnej liczby fragmentów nici
nowo

zsyntetyzowanych.

Udowod-nienie

tezy,

Ŝe

replikacja przebiega zgodnie z
mechanizmem

semi-

konserwatywnym,

wymagało

znalezienia

sposobu

rozróŜnienie

nici

starej

nowoutworzonej. Stało się to
moŜliwe dzięki zastosowaniu do
znakowania

nici

DNA

"cięŜkiego" izotopu azotu 15N
(w

przyrodzie

powszechnie

występuje

azot

14N).

rozdzielania duŜych cząsteczek,
takich jak DNA, wykorzystuje
się

róŜnicę

ich

gęstości,

stosując

technikę

zwaną

wirowaniem

gradiencie

stęŜeń. Gdy DNA zmiesza się z
roztworem chlorku cezu (CsCl) i

wiruje z duŜą szybkością, roztwór soli tworzy w probówce gradient gęstości; w górnej warstwie
gęstość roztworu jest najmniejsza, na dnie probówki zaś największa. W czasie wirowania cząsteczki
DNA przemieszczają się w probówce do takiego miejsca, w którym gęstość roztworu CsCl jest taka
sama jak gęstość DNA.

W 1957 r. Matthew Meselson i Franklin Stahl przeprowadzili pomysłowo zaplanowane

doświadczenie.  Hodowali  oni  bakterie  Escherichia  coli  na  poŜywce  zawierającej  izotop  15N  w
postaci  chlorku  amonowego  (NH4Cl).  Bakterie  wykorzystywały  "cięŜki  azot"  do  syntezy  zasad
azotowych,  które  następnie  włączane  były  do  DNA.  Powstałe  w  ten  sposób  cząsteczki  DNA,
zawierające  izotop  15N,  wydzielano  z  pewnej  części  bakterii;  po  wirowaniu  w  gradiencie  stęŜenia
chlorku cezu cząsteczki cięŜkiego DNA lokowały się blisko dna probówki. Pozostałe bakterie (które
równieŜ  zawierały  DNA  znaczony  azotem  15N)  po  przeniesieniu  na  poŜywkę  z  chlorkiem
amonowym  zawierającym  powszechnie  występujący  lŜejszy  izotop  14N  przechodziły  kilka  cykli
podziałowych.
Oczekiwano,  Ŝe  nowo  zsyntetyzowane  nici  DNA  będą  lŜejsze,  poniewaŜ  do  ich  budowy  bakterie
uŜyły  lekkiego  izotopu  14N.  Istotnie,  cząsteczki  DNA  wyizolowane  z  bakterii  powstałych  po
pierwszym  podziale  komórkowym  miały  gęstość,  która  wskazywała,  Ŝe  zawierają  one  o  połowę
mniej  izotopu  15N  niŜ  cząsteczki  DNA  wyjściowego  (całkowicie  "cięŜkiego  DNA").  W  następnym
cyklu  podziałowym  pojawiły  się  dwa  rodzaje  cząsteczek  DNA:  jedne  o  gęstości  pośredniej,
wskazującej, Ŝe są to cząsteczki-hybrydy wyznakowane w równym stopniu oboma izotopami azotu
(14N  i  15N),  oraz  drugie,  zawierające  wyłącznie  lekki  izotop  14N.  KaŜda  zatem  nić  wyjściowego
podwójnego  heliksu  (DNA  rodzicielskiego)  stała  się  częścią  składową  innej  potomnej  cząsteczki
DNA, dokładnie tak jak przewidywał to model semikonserwatywnej replikacji.

Replikacja DNA jest zło

onym procesem wyró

niaj

cym si

wieloma szczególnymi cechami

Ogólne  zasady  replikacji  DNA  wynikają  w  oczywisty  sposób  z  modelu  zaproponowanego  przez
Watsona  i  Cricka,  jednak  do  przebiegu  procesu  niezbędny  jest  udział  złoŜonego  układu  licznych
białek  i  enzymów,  których  precyzyjne  współdziałanie  kojarzyć  się  moŜe  z  pracą  skomplikowanej
maszyny.  Wiele  zasadniczych  cech  tego  procesu  ma  charakter  uniwersalny.  NiezaleŜnie  od  tego,

pewne  cechy  replikacji  są  róŜne  u  prokariontów  i  eukariontów,  co  wynika  z  odmiennej  organizacji
przestrzennej ich materiału genetycznego. W komórkach bakterii, takich jak E. coli, większość lub
cały  materiał  genetyczny  występuje  w  postaci  pojedynczej  kolistej  cząsteczki  dwuniciowego  DNA.
KaŜdy  nie  zreplikowany  chromosom  eukariotyczny  zawiera  pojedynczą,  liniową  cząsteczkę
dwuniciowego DNA zasocjowaną z wielką liczbą cząsteczek białek i RNA.

Podczas replikacji dwuniciowy DNA musi zosta

rozpleciony

Watson i Crick zdawali sobie
sprawę

tego,

Ŝe

stworzonym

przez

nich

modelu  podwójnego  heliksu
obie  nici  muszą  być  wokół
siebie  oplecione,  podobnie
jak  sznurki  w  linie.  Gdy
usiłujemy

rozdzielić

sznurki, w linie powstają
napięcia, na skutek których
okręca

się

ona

wokół

własnej osi albo skręca się
w jeszcze ściślejsze zwoje.
MoŜna

oczekiwać

podobnego  zachowania  się
DNA  podczas  rozplatania
jego  dwóch  nici.  Tak  się
jednak

nie

dzieje.

Rozplatanie dokonuje się
przy

udziale

enzymu

zwanego

helikazą

DNA,

która

przesuwając

się

wzdłuŜ podwójnego heliksu
ułatwia

rozkręcanie

obu

nici.

Gdy

nici

są

juŜ

rozdzielone, przyłączają się
do

nich

białka

destabilizujące

heliks,

zapobiegające

jego

odtwarzaniu się, zanim nie
nastąpi

skopiowanie

obu

nici. PoniewaŜ cząsteczki
DNA są bardzo długie i
cienkie,

tworzące

się

podczas

ich

rozplatania

napięcia  muszą  zostać  w  jakiś  sposób  zlikwidowane.  Dokonują  tego  specyficzne  enzymy  zwane
topoizomerazami,  które  przecinają  cząsteczkę  DNA  w  miejscu  napręŜenia,  a  potem  ponownie  ją
łączą, efektywnie "rozsupłując" w ten sposób węzły powstające podczas replikacji.

DNA syntetyzowany jest zawsze w kierunku od 5' do 3'

Reakcję łączenia  nukleotydów w łańcuch polinukleotydowy katalizują enzymy  zwane polimerazami
DNA.  Działanie  tych  enzymów  jest  ograniczone  pewnymi  regułami,  co  stanowi  jedną  z  przyczyn
złoŜoności procesu replikacji. Polimerazy DNA mogą dołączać nowe nukleotydy wyłącznie do końca
3' nowo syntetyzowanego łańcucha, komplementarnego do nici kopiowanej .Substratami tej reakcji
są trifosforany nukleozydów; wszystkie one, podobnie jak ATP, zawierają w cząsteczce trzy reszty
fosforanowe dołączone do węgla 5' cukru oraz zasadę azotową. Połączeniu nukleotydów towarzyszy
uwolnienie  dwóch  reszt  fosforanowych.  Reakcja  ta,  podobnie  jak  reakcja  hydrolizy  ATP,  jest  silnie
egzergoniczna  i  w  związku  z  tym  nie  wymaga  dostarczania  dodatkowej  energii.  WydłuŜanie  się
(elongacja) nowej nici polinukleotydowej polega na dołączaniu kolejnych jednostek nukleotydowych
do  węgla  w  pozycji  3'  cząsteczki  cukru  występującego  na  końcu  nici,  dlatego  nowa  nić  powstaje
zawsze w kierunku od 5' do 3'.

Do rozpocz

cia syntezy DNA potrzebny jest starter

Drugim  ograniczeniem  w  działaniu  polimeraz  DNA  jest  to,  Ŝe  mogą one  dobudowywać  nukleotydy
tylko do końca 3' istniejącego juŜ fragmentu nici polinukleotydowej. Jak zatem moŜe się odbywać
synteza  DNA  na  rozdzielonych  niciach?  MoŜliwość  taką  stwarza  synteza  krótkiego  (złoŜonego
zwykle z około pięciu nukleotydów) starterowego RNA, nazywanego często po prostu starterem lub
na  wzór  nazwy  angielskiej  primerem,  syntetyzowanego  przez  białkowy  kompleks  zwany
primosomem.  Starterowy  RNA  jest  polimerem  rybonukleotydów,  czyli  kwasem  rybonukleinowym,
który  łączy  się  z  jednoniciową  matrycą  DNA,  zgodnie  z  regułą  komplementarności  zasad,  w
miejscu,  w  którym  rozpoczyna  się  proces  replikacji.  Polimeraza  DNA  moŜe  teraz  dobudowywać
nowe  podjednostki  nukleotydowe  do  końca  3'  starterowego  RNA,  który  zostanie  wkrótce  wycięty i
rozłoŜony, a jego miejsce wypełni fragment DNA.

Replikacja jednej nici przebiega w sposób ci

gły, replikacja drugiej odbywa si

fragmentami

PowaŜną  przeszkodę  w  zrozumieniu  mechanizmu  replikacji  stanowił  fakt,  Ŝe  komplementarne  nici
DNA  ułoŜone  są  w  przeciwnych  kierunkach.  W  związku  z  tym,  Ŝe  synteza  przebiega  wyłącznie  w
kierunku  od  5'  do  3'  (co  oznacza,  Ŝe  odczytywanie  matrycy  odbywa  się  w  kierunku  od  3'  do  5'),
kopiowanie kaŜdej z nici musiałoby się zaczynać na przeciwnych końcach podwójnego heliksu. Tak
się  jednak  nie  dzieje.  Replikacja  DNA  rozpoczyna  się  w  specyficznym  miejscu  cząsteczek  DNA,
zwanym miejscem inicjacji replikacji, i przebiega jednocześnie na obu niciach w obszarze noszącym
nazwę widełek replikacyjnych. WydłuŜanie jednej z powstających nici odbywa się zgodnie z ruchem
widełek  replikacyjnych,  przebiega  zatem  w  sposób  ciągły.  Nić  tę  określa  się  mianem  nici
prowadzącej.  Synteza  drugiej  nici  przebiega  w  kierunku  przeciwnym  do  ruchu  widełek
replikacyjnych.  Powstaje  ona  w  postaci  krótkich  (zawierających  od  100  do  1000  nukleotydów)
fragmentów  Okazaki,  nazwanych  tak  dla  upamiętnienia  ich  odkrywcy,  Reijii  Okazaki.  Nić  ta  nosi
nazwę  nici  opóźnionej.  Syntezę  kaŜdego  fragmentu  Okazaki  inicjuje  odrębny  starterowy  RNA;
synteza  ta  przebiega  w  kierunku  końca  5'  poprzednio  utworzonego  fragmentu.  W  procesie  tym
uczestniczą  polimerazy  DNA  kilku  typów,  z  których  kaŜda  jest  złoŜonym  enzymem
wielofunkcyjnym.  Gdy  tworzący  się  właśnie  fragment  Okazaki  zbliŜa  się  do  fragmentu
zsyntetyzowanego przed nim, jedna z części polimerazy DNA degraduje poprzedni starterowy RNA,
umoŜliwiając  innej  polimerazie  wypełnienie  przerwy  między  dwoma  odcinkami  nici  DNA.
Ostatecznie  oba  fragmenty  zostają  spojone  przez  ligazę  DNA,  enzym  katalizujący  reakcję
zespolenia końca 3' jednego fragmentu DNA z końcem 5' drugiego. Przypuszcza się, Ŝe synteza obu
nici,  prowadzącej  i  opóźnionej,  odbywa  się  jednocześnie  dzięki  temu,  Ŝe  nić  opóźniona  tworzy
pętlę,  umoŜliwiając  w  ten  sposób  dołączanie  nowych  jednostek  nukleotydowych  do  końców  3'
kaŜdej z nowo syntetyzowanych nici przez pozostającą w widełkach replikacyjnych polimerazę DNA.

Synteza DNA przebiega na ogół w dwóch kierunkach

W  wyniku  rozdzielenia  się  obu  nici  podwójnego  heliksu  widełki  replikacyjne  powstają  w  dwóch
miejscach, tak Ŝe poczynając od miejsca inicjacji proces replikacji przebiega jednocześnie w dwóch
kierunkach.  W  komórkach  prokariotycznych  inicjacja  replikacji  następuje  zazwyczaj  w  jednym
punkcie kolistego chromosomu, w związku z czym dwie pary widełek replikacyjnych przesuwają się
wokół  kolistej  cząsteczki  DNA  i  w  końcu  spotykają  po  przeciwnej  stronie  koła,  gdzie  następuje
zakończenie  procesu  syntezy.  Chromosom  eukariotyczny  utworzony  jest  z  jednej  bardzo  długiej
cząsteczki DNA, której replikację przyspiesza inicjowanie syntezy nowych nici jednocześnie w wielu
miejscach. W kaŜdych widełkach replikacyjnych synteza przebiega aŜ do momentu zetknięcia się z
widełkami  przesuwającymi  się  w  przeciwnym  kierunku.  Po  ukończeniu  syntezy  przez  wszystkie
widełki replikacyjne powstaje chromosom składający się z dwóch cząsteczek dwuniciowego DNA.

DNA w chromosomach upakowany jest w zorganizowane struktury wy

szego rz

Komórki prokariotyczne i eukariotyczne róŜnią się
w  istotny  sposób  zarówno  zawartością  DNA,  jak  i
organizacją  jego  cząsteczek.  Pojedynczy  kolisty
chromosom bakterii E. coli zawiera DNA złoŜony z
4  x  106  par  zasad  (o  długości  około  l  ,35  mm).
Długość  cząsteczki  DNA  jest  około  1000  razy
większa  niŜ  długość  samej  bakterii.  Cząsteczka
DNA musi zatem być ściśle zwinięta i upakowana,
aby  zmieścić  się  w  komórce.  W  utrzymywaniu
zwartej  struktury  cząsteczki  DNA  uczestniczą
specjalne  białka.  Typowa  komórka  eukariotyczna
zawiera  znacznie  więcej  DNA  niŜ  bakteria.  DNA
występuje  w  jądrze  w  postaci  chromosomów,
których liczba i kształt są róŜne u poszczególnych
gatunków.  Jądro  komórki  ludzkiej  ma  wymiary
zbliŜone  do  wymiarów  bakterii,  zawiera  jednak
ponad  1000  razy  więcej  DNA  niŜ  E.  coli.
Haploidalna  zawartość  DNA  w  komórce  ludzkiej
wynosi

około

109

par

zasad;

wyprostowaniu  ten  DNA  miałby  długość  blisko  l
m.  W komórkach  eukariotycznych  DNA,  którego
cząsteczka  ma  kwaśny  charakter  i  ujemny

ładunek,  oplata  się  wokół  zasadowych  (dodatnio  naładowanych)  cząsteczek  białek  histonowych,
tworząc  struktury  zwane  nukleosomami.  Podstawowym  elementem  kaŜdego  nukleosomu  jest
kulistego  kształtu  cząstka  rdzeniowa,  złoŜona  z  łańcucha  DNA  o  długości  około  140  par  zasad
owiniętego  wokół  dyskowatego  rdzenia,  zbudowanego  z  ośmiu  cząsteczek  histonów.  Cząsteczka
innego rodzaju histonu związana jest z DNA łączącym dwie sąsiadujące cząstki rdzeniowe. Włókno
złoŜone  z  nukle-osomów  jest  podstawowym  elementem  strukturalnym  chromatyny,  kompleksu
nukleoproteinowego, z którego zbudowane są chromosomy. W chromatynie włókno nukleosomowe
(chromatynowe), skręcone w ścisłą spiralę, tworzy wielkie pętle utrzymywane razem przez zestaw
białek niehistonowych, noszących nazwę białek macierzy jądrowej.

Sekwencja zasad w DNA przepisywana jest na sekwencj

zasad w RNA, która tłumaczona jest

na sekwencj

aminokwasów w białkach

Mimo iŜ sekwencja zasad  w DNA określa sekwencję  aminokwasów w białkach, informacja zawarta
w  DNA  nie  jest  wykorzystywana  bezpośrednio.  Jako  pośrednik  między  DNA  a  białkiem  słuŜy  inny
kwas  nukleinowy,  RNA,  czyli  kwas  rybonukleinowy.  Podobnie  jak  DNA,  RNA  jest  polimerem
nukleotydów.  Między  cząsteczkami  obu  kwasów  nukleinowych  występują  jednak  istotne  róŜnice.
Cząsteczki  RNA  są  zwykle  jednoniciowe,  choć  w  ich  wewnętrznych  obszarach  mogą  występować
sekwencje  komplementarne,  które  po  złoŜeniu  się,  tworzą  krótkie  odcinki  dwuniciowe.  W  RNA
występuje cukier ryboza (a nie deoksyryboza), tyminę zaś zastępuje inna zasada, uracyl. Podobnie
jak  tymina,  uracyl  jest  pirymidyną  i  moŜe  tworzyć  dwa  wiązania  wodorowe  z  adeniną.  Uracyl  i
adenina  tworzą  zatem  parę  komplementarną.  W  wyniku  ekspresji  genu  kodującego  białko
wytwarzana  jest  cząsteczka  RNA  stanowiąca  kopię  informacji  zawartej  w  DNA.  Proces  ten
przypomina  replikację  DNA,  gdyŜ  sekwencja  zasad  w  nici  RNA  określana  jest  przez  tworzenie
komplementarnych  par  z  zasadami  w  jednej  z  nici  DNA.  PoniewaŜ  synteza  RNA  polega  na
kopiowaniu  informacji  zawartej  w  jednym  kwasie  nukleinowym  (DNA)  na  informację  zawartą  w
innym  kwasie  nukleinowym  (RNA),  nazywamy  ten  proces  transkrypcją  (przepisywaniem).  RNA,
który  niesie  specyficzną  informację  o  budowie  białka,  nazywany  jest  matrycowym  (lub
informacyjnym) RNA, w skrócie mRNA. W drugim etapie ekspresji genu według informacji zawartej
w mRNA syntezowane jest białko o określonej sekwencji aminokwasów. Proces ten nazywany jest
translacją  (tłumaczeniem),  poniewaŜ  polega  na  przetworzeniu  "języka  kwasów  nukleinowych"  w
cząsteczce  mRNA  na  "język  aminokwasów"  w  cząsteczce  białka.  Informacja  o  budowie  białka
zawarta w mRNA zapisana jest za pomocą kodonów, tj. kombinacji trzech następujących po sobie
zasad.  KaŜdy  kodon  w  mRNA  określa  jeden  aminokwas,  np.  jednym  z  kodonów,  określających
aminokwas  treoninę,  jest  5'-ACG-3'.  Translacja  wymaga  udziału  maszynerii  komórkowej,  która
potrafi  rozpoznać  i  odszyfrować  kodony  w  mRNA.  Kluczowym  elementem  tej  maszynerii  są
cząsteczki  transportującego  (przenośnikowego)  RNA  (tRNA).  KaŜda  cząsteczka  tRNA  jest
"adapterem",  który  potrafi  połączyć  się  ze  specyficznym  aminokwasem  i  rozpoznać  właściwy  dla
tego aminokwasu kodon w mRNA. Rozpoznawanie kodonów moŜliwe jest dzięki obecności w kaŜdej
cząsteczce tRNA sekwencji trzech zasad, zwanej antykodonem, która łączy się z kodonem w mRNA,
tworząc komplementarne pary zasad. W naszym przykładzie dokładnym antykodonem dla treoniny
jest  trójka  3'-UGC-5'.  Translacja  wymaga  równieŜ  połączenia  aminokwasów  we  właściwym
porządku. Dokonują tego rybosomy , złoŜone organelle utworzone z dwóch róŜnych podjednostek,
których kaŜda zawiera wiele białek i rybosomowy RNA (rRNA). Rybosomy przyłączają się do końca
cząsteczki mRNA i wędrują wzdłuŜ niej, umoŜliwiając cząsteczkom tRNA odszyfrowanie informacji i
odpowiednie  ułoŜenie  aminokwasów,  które  zostają  następnie  połączone  we  właściwym  porządku
wiązaniami peptydowymi; tak powstaje polipeptyd.Procesy te nie mogłyby zachodzić bez instrukcji
zapisanej  kodem  genetycznym.  Przed  odkryciem  Watsona  i  Cricka  zagadką  było,  w  jaki  sposób
cztery zasady w DNA mogą być wykorzystane do łączenia 20 rodzajów aminokwasów w cząsteczki
białek,  których  róŜnorodność  w  komórce  jest  ogromna.  Gdy  uczeni  zaczęli  rozpatrywać  ten
problem,  mając  przed  oczyma  nowy  model  struktury  DNA,  stwierdzili,  Ŝe  zasady  w  DNA  mogą
słuŜyć  jako  czteroliterowy  alfabet.  Trzyliterowe  kombinacje  czterech  zasad  (43)  umoŜliwiają
utworzenie 64 "słów", co aŜ nadto wystarcza do zakodowania wszystkich występujących naturalnie
aminokwasów.  Ponad  10  lat  później  dokonano  ostatecznego  "złamania"  kodu  genetycznego.
Potwierdzono  istnienie  powszechnego  we  wszystkich  organizmach  kodu  trójkowego,  w  którym
kaŜde "słowo" składa się z trzech zasad.

Na matrycy DNA transkrybowany jest RNA kilku rodzajów. Znajduje się wśród nich

rybosomowy RNA (rRNA), transportujący RNA (tRNA), a takŜe matrycowy RNA (mRNA). Cząsteczki
RNA syntetyzowane są przez zaleŜne od DNA polimerazy RNA, enzymy występujące we wszystkich
komórkach.  Polimerazy  te  wymagają  jako  matrycy  DNA  i  przypominają  pod  wieloma  względami
polimerazy  DNA.  UŜywają  jako  substratów  trifosforanów  nukleozydów  (nukleotydów  z  trzema
resztami  fosforanowymi),  z  których  usuwają  dwie  reszty  fosforanowe  podczas  przyłączania
podjednostek wiązaniem kowalencyjnym do końca 3' RNA.

Sekwencja zasad w matrycowym RNA koduje białko

W  rejonie  DNA  kodującym  białko  zwykle  tylko  jedna  z  nici  jest  transkrybowana.  Rozpatrzmy
fragment nici DNA zwierającej sekwencję zasad 5' - ATTGCCAGA- 3'. Komplementarna do niego nić
ma  zapis:  3'-  TAACGGTCT  -  5',  co  oznacza  zupełnie  inną  sekwencję  aminokwasową.  Zatem  tylko
jedna  z  dwóch  nici  DNA  stanowiących  gen  jest  komplementarna  do  mRNA  i  to  właśnie  ta  nić  jest
transkrybowana. Nazywana jest ona takŜe nicią matrycową. Gdy cząsteczki kwasów nukleinowych
oddziałują  z  sobą  za  pomocą  komplementarnych  par  zasad,  dwie  łączące  się  nici  mają  zawsze
przebieg antyrównoległy. PrzeciwbieŜne w stosunku do siebie są równieŜ transkrybowana nić DNA i
komplementarna  do  niej  nić  RNA.  Cząsteczka  dwuniciowego  DNA  stanowiąca  chromosom  zawiera

tysiące genów; ta sama nić moŜe być w jednych genach nicią transkrybowana, w innych zaś - nie
transkrybowana .

Proces

transkrypcji

rozpoczyna

się

rozpoznania

przez

polimerazę

RNA

specyficznej

sekwencji

zasad,

zwanej

rejonem

promotorowym

lub

promotorem,

znajdującej

się

zwykle

tuŜ

przed

początkiem

właściwego

genu. W odróŜnieniu od
syntezy DNA, synteza RNA
nie

wymaga

startera.

Nukleotyd

końcu

zachowuje

swą

grupę

trifosforanową,

ale

kolejnych

trifosforanów

nukleotydów przyłączanych
do

końca

rosnącego

łańcucha

dwie

reszty

fosforanowe są usuwane,
pozostała

zaś

staje

się

częścią

szkieletu

fosforanowo-cukrowego

(podobnie

jak

miejsce w czasie syntezy
DNA).

Ostatni

przyłączonych nukleotydów
ma na końcu 3' wolną grupę
wodorotlenową

O  sekwencji  zasad  w  genie
lub  transkrybowanym  na
nim mRNA mówimy, Ŝe leŜy
"powyŜej"  (ang.  upstream)
lub

"poniief

(ang.

downstream)  w  stosunku  do  przyjętego  miejsca  odniesienia.  Kryterium  jest  tu  kierunek
transkrypcji.  PowyŜej  danego  miejsca  znajdują  się  sekwencje  połoŜone  w  kierunku  końca  5'
sekwencji  mRNA  lub  końca  3'  transkrybowanej  nici  DNA  (przeciwnie  do  kierunku  transkrypcji).
PoniŜej  danego  miejsca  znajdują  się  sekwencje  połoŜone  w  kierunku  końca  3'  cząsteczki  RNA  lub
końca 5' transkrybowanej nici DNA (zgodnie z kierunkiem transkrypcji).
"PowyŜej" "PoniŜej"

5'-A-T-G-A-C-T-3' (nie transkrybowana nić DNA) 3'-T-A-C-T-G-C-5' (transkrybowana nić DNA)

Kierunek transkrypcji->

Trifosforan 5'-A-U-G-A-C-U-3' OH (RNA)

W bakterii Escherichia coli transkrypcja genu zostaje zainicjowana, gdy polimeraza RNA (z udziałem
innego  białka)  rozpozna  specyficzną  promotorową  sekwencję  zasad  leŜącą  powyŜej  sekwencji
kodującej

białko.

RóŜne geny mogą mieć nieco róŜne sekwencje promotorowe, komórka moŜe więc "decydować",
które geny mają być w określonym momencie transkrybowane. Promotory bakteryjne liczą na ogół
około 40 zasad i w DNA znajdują się tuŜ powyŜej miejsca, od którego rozpoczyna się transkrypcja.
Z chwilą gdy polimeraza rozpozna właściwy promotor, dokonuje ona rozplecenia podwójngo heliksu
DNA

rozpoczyna

transkrypcję

nici,

która

stanowi

matrycę.

O zakończeniu (terminacji) transkrypcji, podobnie jak o jej rozpoczęciu (inicjacji), decyduje zestaw
specyficznych sekwencji zasad. Te znajdujące się na końcu genu sekwencje działają jak sygnał
"stop" dla polimerazy RNA.

Matrycowy RNA zawiera dodatkowe sekwencje zasad, które nie koduj

bezpo

rednio białka

Całkowity  bakteryjny  mRNA,  obok  sekwencji  zasad  kodującej  białko,  zawiera  sekwencje
dodatkowe.  Polimeraza  RNA  rozpoczyna  transkrypcję  genu  od  miejsca  leŜącego  znacznie  powyŜej
sekwencji  kodującej  białko.  W  rezultacie,  mRNA  ma  na  końcu  5'  sekwencję  niekodującą,  którą
nazywamy  sekwencją  liderową.  W  sekwencji  liderowej  znajdują  się  sygnały  rozpoznawcze  dla
rybosomu,  które  umoŜliwiają  właściwe  umiejscowienie  na  mRNA  rybosomów  dokonujących  jego
translacji.  W  komórkach  bakteryjnych  w  jednej  cząsteczce  mRNA  moŜe  być  zakodowane  jedno
białko  lub  większa  liczba  białek.  Za  sekwencją  liderową  rozpoczyna  się  sekwencja  kodująca,
zawierająca  właściwą  informację  o  budowie  białka.  Na  końcu  sekwencji  kodującej  znajdują  się
specjalne  sygnały  terminacyjne,  które  wyznaczają  koniec  cząsteczki  białka.  Po  nich  następują
jeszcze 3'- końcowe sekwencje niekodujące, które w róŜnych mRNA mogą być róŜnej długości.