Biologia molekularna

Wykłady ogrodnictwo 2014

Geneza biologii 

molekularnej - odkrycia

Co daje biologia 

molekularna?

• Badanie i wyjaśnianie zjawisk biologicznych na 

poziomie molekularnym:

– Molekularne podłoże odziaływania patogen-roślina
– Badanie pokrewieństwa
– DNA
– Białko-toksyna bakteryjna

• Biologia molekularna zajmuje się badaniem 

zjawisk biologicznych na poziomie 

molekularnym w szczególności badaniem 

struktury DNA i informacji, która koduje ta 

cząsteczka DNA, podstawami biochemicznymi 

ekspresji genów i jej regulacji.

Literatura

• „Biologia molekularna – krótkie 

wykłady” Turner, McLennan, Bates, 
White

• „Podstawy biologii molekularnej” 

Allison

• „Genomy” Brown
• „Genetyka molekularna” Węgleński

Zakres

1.

Geneza biologii molekularnej – geneza

2.

Struktura DNA i jego właściwości

3.

Struktura genu i genomów Plazmidu. Organizacja genomów 

mitochondrialnych i chloroplastowych

4.

Replikacja DNA i jej podstawowe etapy

5.

Molekularne aspekty zmienności genetycznej – mechanizmy 

mutacji i naprawy DNA

6.

Rekombinacja DNA i jej znaczenie

7.

Struktura RNA i jego właściwości

8.

Transkrypcja: polimerazy RNA, promotory, aktywatory transkrypcji, 

składniki kompleksu transkrypcyjnego, etapy transkrypcji

9.

Dojrzewanie RNA. Budowa informacyjnego mRNA

10.

Mechanizmy regulacji ekspresji genów

11.

Kod genetyczny. Struktura i rola rRNA oraz tRNA. Budowa 

rybosomów

12.

Transkrypcja, jej przebieg i regulacja

13.

Składanie białek i ich kompartmentacja. Modyfikacje po 

translacyjne i degeneracja białek

14.

Technologia rekombinowanego DNA

Dlaczego biologia 

molekularna?

• Przewodnia rola w badaniach biologicznych
• Pozwala zrozumieć zjawiska biologiczne na 

poziomie molekularnym (podstawowym)

• Zastosowanie w genetyce, medycynie, 

rolnictwie i ogrodnictwie, przemyśle 

spożywczym – odkrycia biologii 

molekularnej tworzą podstawy współczesnej 

biotechnologii

• Rozumienie funkcjonowania organizmów 

żywych

Definicja

Definicja (Rose … 1993)
Oddziaływania między kwasami 
nukleinowymi, a białkami

Genetyk
a

Biochemia

Biologia 
molekularna

• Centralny dogmat biologii 

molekularnej (Crick) – schemat 
przekazu informacji genetyczne

• Rysunek 1

Geneza biologii 

molekularnej

1. Mendel – natura dziedziczności [Pisum 

sativum]

– Dziedziczeniem nazywamy przekaz potomstwu, 

poprzez geny, charakterystycznych cech 

rodziców

– Odkrycia Mendal:

•

Prawo segregacji

•

Prawo niezależnego dziedziczenia się cech

•

Idea cech dominujących i recesywnych

2. F. Miescher – nośnik dziedziczności (opisał 

nukleinę)

3. T. H. Morgan (zmienność muszek 

owocowych – chromosomy i rekombinacja)

• Rysunek

Jakim związkiem chemicznym 

są geny?

• Substancje mogące potencjalnie być 

nośnikami genów:

– Polisacharydy
– Białka
– Kwas deoksyrybonukleinowy

• Substancje o zbyt małej złożoności:

– Substancje nieorganiczne
– Cukry proste
– Aminokwasy
– …

Griffith 1928 – Transformacja 

genetyczna (reguła czynnika 

transformującego)

• Bakteria 

Pneumococc

us – szczepy 

o różnych 

antygenach 

powierzchni

owych I, II, 

etc.

– S – 

patogenne

– R – 

niepatoge

nne

– IIR mysz 

żyje

– IIIS mysz 

nie żyje

Avery, MacLeod, Oswald, 

MacLeod 1944

DNA jest czynnikiem transformującym IIR do IIIS
•Test odróżniający które komórki uległy transformacji, 

a które nie (komórki stransformowane nie ulegały 

aglutynacji (zlepianiu się) przez podanie surowicy 

zawierającej przeciwdziała skierowane przeciwko 

komórkom R.
•Oczyszczone DNA wystarcza by doszło do 

transkrypcji
•Czynnik transformujący można zniszczyć dodając 

enzymy degradujące DNA (deoksyrybonukleazy)
•Nie zniszczy się tego czynnika przez dodanie proteaz 

lub rybonukleaz (nie są to ani białka, ani RNA)

Beadle, Tatum 1941 – „jeden 

gen – jeden enzym”

Hershey i Chase - 1952

• Tylko DNA jest niezbędne do 

produkcji fagów potomnych

Watson i Crick - 1953

• Struktura DNA 

– Replikacja
– transkrypcja

• 1961 – Odkrycie informacyjnego RNA
• 1966 – „złamanie” kodu 

genetycznego” [Khorana, Nirenberg]
RNA (4 zasady)  Białka (20 

aminokwasów)

Inżynieria genetyczna

• 1970 – Hamilton i Smith – enzymy 

restrykcyjne

• 1972 – Berg – 1-sza rekombinacja 

DNA in vitro

• 1973 – Herb Boyer i Stanley Cohen – 

klonowanie DNA

Genomika

• 1977 – Sangen Frederick – 

sekwencjonowanie DNA

• 1995 – Craig Venter, Hamilton Smith 

– poznanie sekwencji genomów 

(sekwencje 2 pierwszych bakterii)

• 2000 – Craig Venter i Francis Collins 

(poznanie genomu człowieka)

• 2003 – pierwszy genom rośliny 

Arabidobsis thaliana

Struktura DNA i jego 

właściwości

Dna jako materialny nośnik 

dziedziczności

• dsDNA – nośnik informacji 

genetycznej u Eucariota i Procariota 
(2 niciowe)

• ssDNA – niektóre wirusy
• RNA – kwas rybonukleinowy
• DNA – kwas deoksyrybonukleinowy

Budowa nukleotydu

• Kwasy nukleinowe są polimerami 

nukleotydów

• Monomery – nukleozydy:

–

Zasady azotowe:

• Puryny
• Pirymidyny

–

Pentozy:

• Ryboza
• Deoksyryboza 

Nukleozyd + reszta fosforanowa = 

nukleotyd

Zasady azotowe

• Puryny (2 pierścieniowe)

– Adenina (A)

– Guanina (G)

• Pirymidyny (1 pierścieniowe)

– Tymina (T)

– Cytozyna (C)

– Uracyl (U) [RNA]

• Budowa:

– Zawierają atomy azotu

– Charakter zasadowy (przyjmują w roztworze proton)

• Reguła Chargaffa – [A] =[T] i [G] = [C] [stężenie molarne 

zasady jest przedstawione jako symbol zasady ujęty w 

nawias kwadratowy]

– Czyli [A] + [G] = [T] + [C]

– Udział % par G+C różni się między gatunkami, ale jest stały dla 

wszystkich komórek danego organizmu w obrębie jego gatunku

Pentozy

• β-D-ryboza (w RNA)

• β-D-2’-deoksyryboza (w DNA)

• Znaki „prim” by odróżnić je od atomów 

pierścieni zasad 

• Deoksyryboza – bez grupy hydroksylowej (de 

oxy) w pozycji 2’

• Deoksynukleozydy – zasada azotowa 

pentoza i co najmniej jedna grupa 

fosforanowa 

• Nukleozydy – wiązanie N-glikozydowe 

pomiędzy D-rybozą (1’) i zasadą azotową (N)

Grupy fosforanowe

• Obecność tej grupy powoduje że DNA i 

RNA w pH fizjologicznym zachowują się 

jak kwasy (w roztworze oddają proton)

• Wiązania estrowe (stabilne, ale podatne 

na hydrolizę enzymatyczną) [z cukrem]

• Wiązanie fosfodiestrowe (cukier-reszt. 

fosf.-cukier)

– Ujemnie naładowana reszta fosforanowa (nie 

rozpuszczalny w tłuszczach charakter zwiąku)

Wiązania w cząsteczce 

nukleotydu

• Nukleozydy – wiązanie N-glikozydowe 

pomiędzy D-rybozą (C1’) [cukier] i 
zasadą azotową cytozyną (N)

– Nukleozydy purynowe/pirymidynowe

• Wiązanie estrowe [wiązanie grupy –OH 

przy C3’ jednego nukleotydu z grupą 
fosforanową przy C5’ innego nuklotydu]

• Wiązanie fosfodiestrowe

Powstawanie DNA

• Polimer deoksyrybonukleotydów
• Składa się z 3 etapów:

1. Przyłączenie zasady azotowej do cukru 

(przy węglu C1’) [powstanie nukleozydu]

2. Przyłączenie grupy fosforanowej do 

węgla C5’ cukru [powstanie nukleotydu]

3. Łączenie nukleotydów (polimeryzacja) 

[uwolnienie cząsteczki wody i 
pirofosforanu]

Struktura DNA

• 2 niciowy- nici powiązane przez 

wiązania wodorowe (łatwa 
denaturacja)

• Pojedyńcze deoksyrybonukleotydy są 

połączone wiązaniami 
fosfodiestrowymi – łączą węgiel 3’ 
deoksyrybozy (replikacja) z węglem 5’ 
kolejnej deoksyrybozy

• Nici są antyrównoległe

Nazewnictwo nukleotydów i 

długość DNA i RNA

• Po wcieleniu do kwasu nukleinowego każdy 

nukleotyd zawiera jedną resztę fosforanową 

(monofosforan), a wolne nukleotydy są zazwyczaj w 

formie trifosforanów

• dNTP – trifosforany deoksynukleozydów
• NTP – trifosforan nukleozydów
• Liczba nukleotydów (nt)/zasad [opis długości 

cząsteczki w RNA]

• Liczba par zasad (pz) [opis długości cząsteczki 

DNA]

–

Kpz [1000 zasad/par zasad]

–

Mpz [milion zasad/par zasad]

• Oligonukleotydy – 1 niciowe łańcuchy DNA 

(zazwyczaj krótsze niż 50 nukleotydów)

Zakończenie końców 5’ i 3’

• 5’ – węgiel reszty cukru, do którego 

przyłączona jest funkcjonalna grupa 
(PO

4

)

• 3’ – węgiel reszty cukru, do którego 

przyłączona jest grupa (-OH)

• Każdy z końców wykazuje polarność ( –

PO

4 

/-OH)

– Polarność 5’  3’ [kierunek syntezy kw. 

Nukleinowych]

Struktura pojedynczej helisy 

• Ujemnie naładowane łańcuchy cukrowo-

fosforanowe znajdują się na zewnątrz

• Jedna oś symetrii
• Nici ułożone są antyrównolegle (5’  3’ i 3’ 

 5’)

• Komplementarne
• …
• RNA – 1 niciowy łańcuch polinukleotydowy
• Kod genetyczny jest sekwencją zasad, która 

jest różna w różnych cząsteczkach DNA

• 10 nukleotydów na 1 skręt 2-jnej helisy
• Średnica 2 mm
• Polarność DNA
• Stabilność struktury DNA:

– wiązania wodorowe
– Komplementarność
– Wiązania fosfodiestrowe i N-glikozydowe są 

bardzo silne

– Zasocjowanie warstwowo ułożonych płaskich 

i hydrofobowych par zasad (hydrofobowe)

Duży i mały rowek

• Wiązania, które łączą parę zasad z ich resztami 

cukrowymi, nie znajdują się dokładnie 

naprzeciwko siebie (reszty fosforanowe są z jednej 

strony cząsteczki zbliżone do siebie, z drugiej 

oddalone) [powstanie dużego i małego rowka]

• Duży rowek:

– Miejsce odziaływań DNA –białko [zasady odsłonięte 

dla cząsteczek w roztworze – szczególnie atomy O i N 

*]

– Informacja w formie czytelnej dla białek wiążących 

DNA

• Mały rowek:

– Wzór grup zdolnych do tworzenia wiązań wodorowych 

jest niemal zawsze taki sam (niezależnie od pary)

– Różnica tylko pomiędzy AT i GC

Wiązania wodorowe

• Termodynamicznie stabilne
• Między zasadami przeciwnych 

łańcuchów – parowanie na zasadzie 

komplementarności

• Bardzo słabe – sumaryczna liczba w 

cząsteczce zapewnia stabilność

• „wspólne korzystanie z wodoru przez 2 

ujemnie naładowane atomy – O i N”

• Mają stałą długość w całej cząsteczce 

[regularny, symetryczny zrąb]

Odziaływania warstwowe

• Zasady azotowe – charakter hydrofobowy, 

niepolarny [asymetryczny rozkład ładunku – 

wymuszenie budowy cząsteczki]

• Z chwilą przyłączenia cukru i reszty fosforanowej –

zasady azotowe mają charakter rozpuszczalny w 

wodzie) [ich hydroforowość nadal nakłada 

ograniczenia co do budowy]

• Zasady azotowe (płaska powierzchnia) mają 

tendencję do nakładania się na siebie [wymuszenie 

skręcania cząsteczki helikalne]

– Eliminują pojawianie się wolnych przestrzeni pomiędzy 

zasadami

– Eliminacja jak największej liczby cząsteczek wody z 

wnętrza podwójnej helisy

– Hydrofobowy rdzeń

Struktura podwójnej helisy

• Stabilność – zasady są chronione

• Łatwość replikacji (rozplatanie do 

replikacji – rozplecenie ułatwia i umożliwia 

odczytywanie informacji genetycznej – 

funkcja nośnika informacji genetycznej) – 

„talerze upakowane na półce”

• Białka odszukają obszary promotorowe 

głównie robiąc wgląd w duży rowek

– Duży rowek – jest bogaty w informacje 

chemiczne – białka mogą rozpoznawać 

poszczególne zasady nie rozplatając DNA

Formy dwuniciowej helisy 

DNA 

A-DNA

B-DNA

Z-DNA

Kierunek skrętu

Prawoskrętna

Prawoskrętna

Lewoskrętna

Duży rowek

Głęboki i wąski

Średnio głęboki, 

szorstki

Bardzo płytki, w 

zasadzie 

nieobecny, 

czasami zwany 

rowkiem

Mały rowek

Płytki i szeroki

Średnio głęboki, 

wąski

Bardzo głęboki i 

wąski

Liczba par zasad 

na pełny obrót 

helisy

11

10,5

12

Warunki

Mała wilgotność 

(75%), duże 

stężenie soli

Duża wilgotność 

(95%), małe 

stężenie soli

Duże stężenie 

MgCl

2

 (>3M) 

NaCl lub etanolu, 

Jeśli obecne są 

metylowane 

cytozyny: duża 

wilgotność i małe 

stężenie soli

DNA może ulegać 

odwracalnemu rozpleceniu

• Każda z nich może stanowić matrycę do 

syntezy drugiej (replikacja, transkrypcja i 
translacja)

• W czasie replikacji i transkrypcji zachodzi
• Rozerwanie wiązań wodorowych – silne 

podgrzanie cząsteczki [„topienie się”]

• Denaturacja DNA wywołuje zmiany we 

właściwościach absorpcyjnych światła 
ultrafioletowego (260 nm) 

– Efekt hiperchromowy [w czasie denaturacji 

DNA jego absorbcja wzrasta]

Inne czynniki powodujące 

denaturację

• Zmniejszenie stężenia soli w roztworze 

(usuwanie kationów, które zapobiegają 
odpychaniu się ujemnych ładunków obu 
nici)

• Słaba siła jonowa (wzmocnienie 

odpychania ujemnych ładunków)

• pH
• Rozpuszczalniki organiczne:

– formamid

Chemiczne i fizyczne 

właściwości kwasów 

nukleinowych

• Średnio silnie kwaśne (bardzo niskie pH) – 

hydroliza kwasów nukleinowych do zasad, 
cukrów i fosforanów

• Środowisko umiarkowane kwaśne (pH 3-4) 

– hydroliza wiązań glikozydowych pomiędzy 
cukrem i zasadami purynowymi – 
DENATURACJA

• Środowisko zasadowe (pH > 7-8) – zmiany 

tautomeryczne zasad i zerwanie wiązań 
wodorowych - DENATURACJA

• Rys

Spetroskopowe właściwości 

kwasów nukleinowych

• Zasady aromatyczne absorbują światło 260 

nm (wykrywanie, oznaczanie ilościowe i 
określanie czystości)

• dsDNA jest hipochromiczny w stosunku do 

ssDNA 

• Pomiar ilościowy DNA i RNA – Absorbcja A

260 

(1-niciowe więcej absorbuje niż 2-niciowe)

• Czystość preparatów DNA i RNA – stosunek 

A

260

/A

280 

=1,8

– Czyste RNA= 2
– Białka A 

260

/ A 

280

 poniżej 1 (ok. 0,5)

• Denaturacja termiczna (topnienie) 

dsDNA

– Ma charakter kooperatywny – zaczyna 

się od denaturacji końców i bardziej 
labilnych obszarów bogatych w A=T

• Temperatura topnienia DNA – T

m

– Temperatura przy której dochodzi do 

utraty połowy heliakalnej struktury przez 
daną cząsteczkę DNA

Krzywa denaturacji (topnienia) 

DNA [T

m

]

Wpływ na T

m

 

• Zależy od zawartości G-C i stężenia 

soli w roztworze

Spetroskopowe właściwości 

kwasów nukleinowych

• Renaturyzacja – ochładzanie roztworu 

zawierającego DNA:

– Szybkie – splatanie się krótkich fragmentów
– Powolne – odnalezienie się w całości nici 

komplementarnych i odzyskanie struktury 2-
niciowej helisy

• Hybrydyzacja – renaturyzacja 

komplementarnych regionów między 
różnymi nicimi kwasu nukleinowego (z 
różnych źródeł)

Zawartość A, T oraz G i C

• Zawartość A=T i G≡C (parametry 

charakteryzujące DNA)

• Ogólnie zawartość G≡C ≈50% 

[gdyby było losowe – ale NIE JEST!]

Denaturacja chemiczna 

kwasów nukleinowych

• Mocznik
• Formamid

Formy przestrzenne DNA

• Czynniki transkrypcyjne oddziaływają przez 

duży rowek

• Formy przestrzenne DNA

– W kilku formach 

• jeśli chodzi o układ helisy - forma B jest preferowana in 

vivo

– Forma Z-DNA i trójniciowa są związane z chorobami 

genetycznymi 

– A – pusta w środku (wyizolowana)

• Trójniciowa helisa – rzadkie (prowadzi do 

chorób)

• 4 niciowe DNA (u człowieka) - choroby

Struktury drugorzędowe

• Regulacja ekspresji genów
• Nietypowe:

– Wybrzuszenia (slipped structures) [struktury 

powtórzone tandemowo]

– Struktury krzyżowe (cruciforms)
– Trójniciowe helisy DNA

• W czasie rozluźniania napięcia torsyjnego 

cząsteczki DNA superhelikalność 

gwarantuje zmagazynowanie w jej obrębie 

energii potrzebnej do tworzenia struktur

Wybrzuszenia 

• Powtórzenia tandemowe – dwie lub więcej 

sąsiadujące kopie o identycznej/prawie 
identycznej sekwencji nukleotydowej, 
połączone ze sobą w sposób określony głowa 
– ogon (sekwencja czytana na tej samej nici 
w tym samym kierunku jest taka sama)

• Powód przyjmowania niezwykłych struktur 

(powtórzenia) [blokowanie replikacji i 
transkrypcji – zapoczątkowanie procesów 
naprawczych]

Struktury krzyżowe

• Stabilizowanie niewielkich bąbli 

niesparowanego jednoniciowego DNA

• „spinki do włosów” (sparowany rejon trzonu i 

pętla zamykająca trzon)

• Palindromy (sekwencje 

powtórzone/powtórzenia odwrócone) – mają 

tę samą sekwencję nukleotydową w 

komplementarnych łańcuchach (czytane 

wspak znaczą to samo)

– Powtórka paruje się z sekwencją komplementarną 

na tej samej nici DNA (zamiast komplementarną)

Trójniciowa helisa DNA

• Tripleks powstaje
• Powstaje w rejonach o symetrii 

lustrzanej, w regionach ciągów puryna 
(jedna nić) – pirymidyna (druga nić)

• Trzecia nić powstaje z :

– Wewnętrznego (w obrębie tej samej nici) 

ciągu puryna-pirymidyna

– Z innej cząsteczki DNA

Formy przestrzenne DNA – 

trzeciorzędowa struktura DNA

• Kolista, 2 niciowa cząsteczka DNA jest 

zbudowana z dwóch kolistych, jednoniciowych 

cząsteczek DNA, a nici te splatają się ze sobą.

• Superhelikalne skręcenie (nadmierne 

zwinięcie lub rozwinięcie, w stosunku do 

całkowitej liczby skrętów) [działa napięcie 

torsyjne]

– Korzystnie energetycznie formy

– Trójwymiarowe struktury

– Mniej stabilne niż forma zrelaksowana DNA

– Napięcie torsyjne prowadzi czasami do lokalnej 

denaturacji (rozplatanie na krótkich odcinkach)

Metylacja DNA

• DNA może występować w formie 

zmetylowanej

• Grupa metylowa (-CH

3

) przyłączona do 

zasady

– N

6

 – metyloadenina (m

6

A)

– N

4

- metylocytozyna (m

4

C)

– C

5

 – metylocytozyna (m

5

C)

• Chronienie przed restrykacją DNA 

(niszczeniu przez enzymy restrykcyjne)

• Regulacja ekspresji genów

• Rys

Zachowanie wzoru metylacji 

podczas replikacji

• Metylacja DNA – sposób regulacji 

ekspresji genów. Zachowanie wzoru 
metylacji podczas replikacji. 
Przekazywany w czasie podziału 
komórce potomnej.

• Chroni DNA bakterii przed enzymami 

restrykcyjnymi

• Wyspy Cpb – obszary DNA bogate w 

CG, najczęściej promotorowe o 
wielkości około 300-3000 pz  (nie 
podlegają metylacji)

• Rejony regulatorowe genów typu 

„housekeeping” zabezpieczają je 
przed metylacją

Imprinting – piętno 

rodzicielskie

• Określony wzór metylacji genu zależy od tego 

czy dany allel pochodzi od ojca/matki

• Różna metylacja genów w gametach
• Piętnowanie matczyne – allel matczyny jest 

nieaktywny na skutek zmetylowania i ekspresjii 

ulega jedynie allel ojcowski

• Piętnowanie ojcowskie – allel ojcowski jest 

nieaktywny, a matczyny ulega zmetylowany(?)

– Zabezpieczenie przed partenogenezą (dla 

prawidłowego rozwoju muszą być geny i ojca i 

matki)

Zaburzenia epigenetyczne – 

metylacja de novo

• Czynniki środowiskowe prowadzące do 

mutacji genów:

– Metale ciężkie – nikiel, kadm, arsen

– Aflatoksyny, czynniki jonizujące, dym 

papierosowy

– Czynniki infekcyjne

– Bromek etydyny

– Aktynomecydyna (lek przeciwnowotworowy)

– Pochodne proflawiny

– Aromatyczne aminokwasy (np. fenyloalanina)

• Częściowe rozkręcenie podwójnej helisy! 

(bromek)

Związki interkalujące z DNA

• Związki interkalujące z DNA – 

wynikają pomiędzy pary zasad w 2-
niciowej helisie

• Rys

Typy cząstek DNA

• Wielkość cząstek DNA określamy 

podając liczbę par zasad 
wchodzących w skład:

– Pz
– Kpz (kiloparzasad)
– Mpz (megaparzasad)

Kształt cząsteczki DNA

• Koliste (nie mają końców i mają 

problemy ze skręcaniem się)

• Linearne (2 końce i nie mają 

problemów z obrotami – teoretycznie)

• Czasami koliste, a czasami linearne 

(bakteriofag λ – infekuje E. coli)

– W otoczce fagowej linearny, po 

wniknięciu do E. coli kolisty

Kolistość i struktury 

superhelikalne

• Plazmid kolisty – dominuje forma 

superhelikalna (napięcia fizyczne, 
spżężenia)

• Struktura superhelikalna - I forma – 

bardziej kompaktowa, naturalna

• Struktura zrelaksowana – II forma

Topoizomery 

• Izomery topologiczne (topoizomery) – 

taka sama sekwencja nukleotydowa, 
lecz różna liczba opleceń

• Topoizomerazy (enzymy) 

przekształcają (izomeryzują) jeden 
topoizomer DNA w drugi [przy 
zmianie liczby opleceń]

Topoizomerazy

• Rozwiązują problemy topologiczne DNA
• Topoizomerazy typu I – nacinają 

przejściowo 1 nić (nie wymagają ATP)

– Typ I A – przeciąganie nienaruszonej nici 

poprzez nacięcie – usuwają tylko negatywną 
superhelisę

– Typ I B – obrót drogiej helisy …

• Topoizomerazy typu II – nacinają 

przejściowo obydwie nici (wymagają ATP)

• Rozszczepianie kolistych plazmidów 

po replikacji (katenany) – dekantacja 
układu

• Splecenie dwóch osobnych 

cząsteczek DNA – superzwinięcie

• Węzeł (rozwiązywanie

Rola topoizomeraz

• Udział w replikacji, rekombinacji i 

upakowaniu DNA

– Usuwanie superhelisy
– Wprowadzenie negatywnej superhelisy 

(topoizomeraza typu II – gyraza)

– Rozwiązywanie węzłów 
– Regulacja „gęstości” superhelisy

• Kamptotecyna – alkaloid izolowany z 

„happy tree” Camptothela acuminata

Struktura genu i 

genomów. Plazmidy. 

Organizacja genomów 

mitochondrialnych i 

chloroplastowych

DNA u Prokariontów 

• Upakowane DNA u prokariota – na 

przykładzie budowy chromosomu E. 
coli

– 1 kolisty chromosom (nie jest odizolowany 

błoną od reszty komórki – nukleoid – rejon 
zajmowany przez chromosom bakteryjny)

– Wymiary 1-1,5 mm
– Objętość bakterii 1µm

3

 (musi być 

upakowane)

DNA u prokariontów

• DNA jest podzielone na 30-50 pętli
• Tworzy superhelisę – topoizomerazy 

(superzwinięcie i gyraza)

• Swobodna (?)
• Stabilizowana przez białka 

histonopodobne:

– HU
– IHF
– H-NS
– F/S

DNA u Eucariota

• Chromatyna

– DNA w kompleksie z białkami – 

kompleksy te tworzą chromosomy

• Cząsteczki DNA ludzkiego 46 – 

długość 2 m

• Jądro komórkowe – średnica 10 µm

Struktura chromatyny - 

Dynamiczna

• Nukleosomy – podstawowa struktura 

organizacyjąca eukariotycznego DNA

– Około 146 bp DNA nawinięte na dysk 

oktameru histonowego – „paciorki 

nawinięte na sznurek” (upakowanie 6 x)

– Struktury wyższego rzędu – włókno 30 nm 

(upakowanie 40 x)

– Pętle chromosomowe – dalsze poziomy 

upakowania (nie jest jasne jak się dokonuje)

– Chromosom interfazowy

– Chromosom metafazowy (10 000 x 

upakowanie maksymalnie)

Chromatyna

• Stanowi podłoże dla epigenetycznych 

mechanizmów regulacji ekspresji genów

• Epigenetyka wszelkie potencjalne 

stabilne i dziedziczne zmiany w 
ekspresji genów, które nie są związane 
ze zmianami w sekwencji DNA

– Metylacja cytozyn w DNA
– Modyfikacje histonów
– Remodeling chromatyny zależy od ATP

• Odkrycie nukleosomów – trawienie 

chromatyny nukleazą

• Nukleosom – oktamer składający się 

z histonów rdzeniowych, po 2 histony 
rdzeniowe (H2 a i b, H3, H4…) spięty 
histonem łącznikowym (H1)

Histon H1

• Różni się od pozostałych
• Łącznikowy
• Większy od pozostałych
• Wykazują zmienność sekwencji
• Rola w dziedziczeniu epigenetycznym

Histon

• 5 klas histonów eukariotycznych:

– Rdzeniowe (H2A, H2B, H3, H4 – małe 

białka 10-20kDa)

– Łącznikowe (H1 – 23 kDa)

• Bogate w lizynę i argininę (20-30%) 

ładunek (+) więc może silnie wiązać 
się z DNA (-)

• Silnie konserwatywne – szczególnie 

histony rdzeniowe

Modyfikacje histonowe

• Mogą ulegać:

– Acetylacji

– Fosforylacji

– Metylacji

– Ubikwitynacji (ubikwityna – białko wiązane 

z degradacją)

– Sumoylacja

• Gdzie:

– Modyfikacje w pobliżu pozbawionego 

stabilnej struktury N końca

– N końce

• Pętle chromosomowe – sekwencje 

MAR-DNA bogate w A=T łączące się z 
matriks jądrową

Chromosomy

• Rys

Kondensacja chromosomów

• Kondensacja – kompleks białkowy 

odpowiedzialny za kondensację 
chromosomu

• Kinaza Aurora – fosforyluje histon H3 

na ser10

• Topoizomeraza II - …
• Kohezyna – utrzymanie chromatyd 

razem

Organizacja Chromosomu

• Metacentryczne – centromer 

pośrodku

• Akrocentryczne – w pobliżu jednego z 

końców

• Telocentryczne – na końcu 

chromosomu

Człowiek - kariotyp 

• 23 pary chromosomów = 46 

chromosomów

• 44 autosomy i 2 chromosomy płci

• Kariotyp – liczba i wygląd 

chromosomów specyficzna dla 
danego gatunku

• Chromosom Philadelfia – wydłużony 

chromosom 9 wydłużony o 
chromosom 22 – translokacja 
chromosomu (diagnostyka chorób 
nowotworowych)

• Dlaczego geny występują jako 

pojedyncze jednostki, ale są 
zorganizowane w chromosomy?

• Elastyczność segregacji
• Ograniczenia co do długości (nie za 

krótkie, nie za długie)

Struktura genów i genomów

• Genom – pełna informacja genetyczna 

żywego organizmu (też sekwencje 

niekodujące) 

• Chromosom – podstawowa 

makromolekularna struktura genomu 

(występuje w jądrze komórkowym – z 

DNA i białka)

• Chromatyna – kompleks złożony z DNA i 

białek histonowych podlegających 

dynamicznym zmianom (kondensacji)

Struktura genomów

• Organizmy prokariotyczne

– Chromozsom bakteryjny – upakowany w 

nukleoid

– Plazmidy (pozachromasomalne DNA)

• Organizmy eukariotyczne

– DNA jądrowe (chromosomowe)
– DNA organeralne (mitochondrialne, 

chloroplastowe)

• Większość chromosomów 

bakteryjnych – kolista, zwykle zawiera 
1 miejsce ori (startu replikacji), ale są 
wyjątki np. Borrelia (Borelioza) z kilku 
chromosomów liniowych

• Chromosomy eukariotyczne – liniowe 

cząsteczki DNA zawierają kilka miejsc 
ori (wyjątki drożdze)

Porównanie

Cecha

Prokariota

Eukariota

Błona jądrowa

-

+

Liczba chromosomów

1

>1

Histony

-*

+

Jąderko

-

+

Wymiana genetyczna

Jednokierunkowa

Fuzja gamet

Mitoza

-

+

Introny w genach

Rzadko 

powszechnie

Co znajduje się z genomach

• DNA kodujące – geny

• Gen – fragment DNA odpowiedzialny za 

kodowanie funkcjonalnego produktu

• Białka

• RNA:

– tRNA

– rRNA (rybosomalny)

– snRNA

– miRNA (mikroRNA – interferencja)

• Dna niekodujące

DNA niekodujące

• Pseudogeny (zdegradowane
• Sekwencje powtórzone

• Inne niestrukturyzowane rodzaje DNA 

(najczęściej)

Procariota

• Geny prokariotyczne są 

zorganizowane w operony

• Operon – podstawowa jednostka 

transkrypcyjna u Procariota

– Monocistronowy (1 ramka odczytu = 1 

białko)

– Policistronowy 

• Nie posiadają intronów

Eucariota

• Geny eukariotyczne posiadają 

introny:

– Dłuższe
– Długie sekwencje regulatorowe 

(znacznie dłuższe)

• Rysunek

Geny eukariotyczne posiadają 

introny

• Introny – sekwencje regulatorowe

– Cis regulatorowe sekwencje

1.Początek rozplatania TATA – głównie 

rejony bogate w A i T

Od tego miejsca DNA może zostać 

przepisany na RNA (mRNA)

Powstaje najpierw Pre-mRNA
Pre-mRNA jest przerabiany na mRNA 

szybko.

Końce są zabezpieczone mRNA w jądrze i 

jest transportowany do cytoplazmy

Geny eukariotyczne posiadają 

introny

2. Początek transkrypcji
3. Wiązanie rybosomu
4. AGT
5. Egzon 1
6. Intron
7. Egzon 2
8. Stop
Większość genów w różnych organizmach.
Udział genów o określonej wielkości (%)

Wielkość egzonów

• Przecięte geny mają wielkość 100- 400 

pz

• Introny od 100 do 5000 pz
• C – value para box
• Związek między złożonością organizmu, 

a wielkością genomu:

– Istnieje u niektórych organizmów
– U organizmów bardziej złożonych tej 

korelacji nie ma – Paradoks zawartości DNA

Rodziny genów i 

Pseudogeny

• Rodziny genów:

– Grupy genów o identycznej lub podobnej 

sekwencji

– Grupy rRNA
– Globiny – rodzina globin α i β

• Pseudogeny:

– Geny któtkie z jakiegoś powodów są 

niefunkcjonalne, STOP kodony, 
uszkodzenia/ zmiany genów

Sekwencje powtórzone

• Telomerowo DNA
• Rozproszone

– Mikrosatelitarne DNA (elementy strukturalne 

chromosomu)

– Transpozony typ I (Retroelementy). 

Przemieszczenie dzięki odwrotnej transkrypcji

 1Retrotranspozon  sekwencja RNA 

konwertacja 2 nici DNA  (dopisanie 2 nici) 

2 retrotranspozony

• Retroelementy (posiadające LTR-y)

• Retrotranspozony endogenne:

– LINE/SINE (retroelementy – nie posiadające 

LTR-ów) – namnażanie

• Transpozony typ II – transpozony DNA 

(skańczące geny)

– Zawierają odwrócone powtórzenia i gen 

kodujący transpozazę – autonomiczne 

(rozpoznaje, wycina i wbudowuje w inne 

miejsce)

– Wbudowanie się transpozonu w gen 

prowadzi do inaktywacji genu

• Dysocjator (zdegenerowany aktywator)

Organizacja genów różnych 

organizmów

• Transpozony – wbudowane w gen 

prowadzi do inaktywacji

• Ramiona chromosomów – 

częstotliwość genów największa

Replikacja DNA i jej 

podstawowe etapy

Replikacja DNA = synteza 

DNA

1. Semikonserwatywny charakter 

replikacji DNA

2. Etapy i enzymy
3. Regulacja replikacji genomu 

eukariotycznego

4. Telomery i telomeraza

Replikacja DNA

• Replikacja DNA – proces prowadzący do 

podwojenia ilości DNA w komórce

• Synteza 2 komplementarnych helis DNA z 

jednej wyjściowej (obydwie helisy mają 

sekwencje nukleotydową identyczną z helisą 

wyjściową (z wyjątkiem rzadko występujących 

błędów)

• Replikon (niezależne/autonomiczne replikująca 

się cząsteczka DNA):

– Chromosomu

– Plazmidu

– Chromosomu mitochondrialnego
[jednostka replikacyjna]

Replikacja:

• Kopiowanie informacje genetyczne
• Decydowanie o stabilności genetycznej 

organizmów – jeden z bardziej złożonych 

procesów w komórce

• Zachodzi zanim komórka się podzieli 

(potomne)

• Błędy prowadzą do mutacji – zmiany w 

informacji genetycznej

• Z rekombinacją związane są systemy 

rekombinacji i naprawy DNA

• Zachodzi w kierunku 5’ 3’ przez 

dołączenie nowych nukleotydów do grupy 
–OH do końca 3’ syntetyzowanej 
cząsteczki

• Substrat – trójfosforan nukleotydów
• Enzym – polimerazy DNA zależne od DNA

– Polimeraza DNA – potrafi dobudowywać 

nukleotydy do istniejącego już fragmentu 
łańcucha kwasu nukleinowego (na matrycy 
DNA)

Proponowane modele replikacji 

DNA

1. Konserwatywna
2. Semikonserwatywna
3. Rozdzielna (dyspersyjna)

• Rysunek

Replikacja 

semikonserwatywna

• Rysunek

• Rysunek

• W każdej rundzie replikacji każda z 2 

nici DNA jest wykorzystywana jako 
matryca do syntezy 
komplementarnego łańcucha DNA

• Etapy:

1. Inicjacja
2. Elongacja
3. Terminacja

• Zaczyna się w miejscach „startu 

replikacji” [origin of replication – ORI]

– Procariota – 1 miejsce
– Eucariota – kilkadziesiąt tysięcy (człowiek 

10 000)

• Rozplecenie 2 nici DNA i 

przygotowanie do syntezy nowych nici

• Uformowanie widełek replikacyjnych

• rysunek

Replikacja u bakterii

• rysunek

Maszyneria replikacyjna

1. Topoizomeraza – usówa naprężenia DNA
2. Helikaza – rozdziela komplementarne nici
3. Białka typu SBS – stabilizują 1 niciowe DNA
4. Prymaza (?) – syntetyzuje startery 

(primery)

5. Polimeraza (-y) – synteza DNA i korekta 

błędów

6. Ligaza – łączy fragmenty Okazaki

• Rysunek

Inne modele replikacji u 

Procariota 

• Replikacja przemieszczającej się pętli 

D (chloroplasty, mitochondria)

• Model toczącego się koła – rolling 

circle (plazmidy też podczas 
koniugacji)

Replikacja u Procariota 

• Regulacja replikacji:

– Na etapie inicjacji: 

• Masa
• Długość komórki

– Metylacja miejsca ori

1. Inicjacja

• Rozpoczęcie nowej rundy replikacyjnej

• Powstanie widełek replikacyjnych 

(replisomu) – miejsce ori [skompletowanie 

maszynerii]

Kiedy czas na podział?  wielkość 

Ori – bogate w AT [285 pz] (mniej wiązań 

wodorowych to mniej energii na rozplatanie)

ATP-aza – nawija na siebie NA (DNA A) – 

inhibitor replikacji

Helikaza (DNA B) – przyłącza do DNA  

(rozkręca podwójną nić)

DNA C – funkcja transportowa DNA B – białko 

opiekuńcze (helikazy)

1. Inicjacja

• Przyłączenie Prymazy (DNA G) – 

syntetyzuje starter

• RNA, który polimeraza wydłuża – 1-na 

nici wiodoncej, wiele dla opóźnionej

• Dołączenie polimerazy III

• Białka SBS – ochrona

• Skompletowanie replisomu

• Polimeraza III DNA – 2 aktywności

– Polimerazy 5’  3’

– Egzonukleaza 3’  5’

1. Inicjacja

• Holoenzymy (Polimeraza III DNA), podjednostki:

– α – aktywność

– ɤ - (tau ??) – decyduje o procesywności

– Procesywność – zdolność do replikacji DNA bez 

odłączania się od matrycy:

• Wzrasta podczas syntezy nici wiodącej

• Spada podczas syntezy nici opóźnionej

– Kompleks kontrolujący przyłączanie i odłączanie się 

od matrycy, synteza nici opóźnionej:

• ɤ

• σ

• x

• ϕ

– ε  - aktywność egzonukleazy

– ϐ (theta)

– Β (obręcz)

2. Elągacja

• Uczestniczą białka:

– Helikaza DNA B

– Prymaza DNA G (rozplata)

– Białka SBS – ochronne

– Polimeraza III DNA

– Polimeraza I (wyjada RNA i dosyntezywuje nici 

oraz łączy fragmenty Okazaki) 

– Ligaza polinukleotydowa

– Gyraza DNA (topoizomeraza typu II)

– Polimeraza I DNA [kornbergowska] (usuwanie 

starterów RNA i zabudowywanie krótkimi 

odcinkami DNA, izolowana z bakterii 

termofilnych jest stosowana w PCR)

3. Terminacja – zakończenie 

rundy replikacyjnej

• Region Ter i białka Tus – wiążą się z 

sekwencją ter i zatrzymuje ruch widełek 
replikacyjnych – inhibitor helikazy

• Antybiotyki – hamujące syntezę DNA

– Mogą:

• Hamować działanie enzymów replikacyjnych np. 

topoizomerazą II – gyrazy

• Uszkadzać matrycę
• Blokować syntezę nukleotydów

Replikacja u Eucariota

1.

Etapy – takie same

2.

Liczba Ori, białek uczestniczących w 
procesie

3.

Aparat cyklu komórkowego kontroluje 
replikację

4.

Rozplatanie chromatyny

5.

Problemy z replikacją końców 
chromosomów (niedoreplikowanie nici 
opóźnionej)

Cykl komórkowy

• rys

• ORC, inicjacja – faza G1

– Kompleks ORC – 6 białek (DNA A) 

[związane z ori]

– Cdc 6 i Cdt 1 – umożliwiają zapakowanie 

do kompleksu helikazy MCM (DNA C)

– MCM – kompleks 6 białek o aktywności 

helikazy (DNA B u bakterii)

– Kontrola CDK (kinazy zależne od cykin ….)
– Początek fazy S …

• Nie wszystkie ori wykorzystywane są 

w każdym cyklu

• Ori ulokowane bliżej centromeru są 

uruchamiane wcześniej niż te w 
pobliżu telomerów

Replikacja eukariotyczna

1. Kompleksy ORC powstają w wielu miejscach
2. Licencjonowanie ORC polega na przyłączeniu Cdc 6 i 

Cdt 1

3. Kompleks MCM (helikaza) jest następnie załadowany 

na nić

4. Powstaje kompleks pre-replikacyjny (pre-RC)
5. W fazie S cyklu komórkowego, kinazy regulowane 

przez cykl komórkowy inicjują replikację

6. Po replikacji kompleks preRC jest tak blokowany, by 

nie doszło do re-replikacji bez podziału 

komórkowego

7. Replikacja rozpoczyna się z różnych miejsc ori – 

wczesnych i opóźnionych

8. Miejsca ori są słabo zdefiniowane 

Wierność replikacji

• Zależy od polimerazy

– Polegając tylko na chimerycznym parowaniu 

zasad

– Polimeraza III E. coli, σ i ε ssaków (10

6

 i 10

8

)

• 1 błędna na 10

1

-10

3 

włączonych 

nukleotydów

• Duża wierność syntezy DNA:

– Ze środowiska – wykluczona woda
– Korekcyjna aktywność polimeraz I i III E. coli, σ 

i ε ssaków

Rozplatanie chromatyny 

• W replikacji musi ulegać cała chromatyna

– W tym strukturalnie zdefiniowane rejony  eu- i 

heterochromatynowe

– DNA eukariotyczne jest spakowane i tworzy w 

chromatynie:

1.Białka wiążące z ori muszą dotrzeć do DNA 

w tych miejscach

2.Chromatyna musi ulec rozmnożeniu na 

drodze przesuwających się widełek 
replikacyjnych

Problem telomerów

• Problem telomerów podczas replikacji 

liniowej cząsteczki DNA:

• Polimeraza nie może odtworzyć odcinków 

DNA w miejscu wyciętego primera 

ostatniego fragmentu okazaki – 

niedoreplikowanie nici opóźnionej

• 1 niciowe fragmenty DNA są degenerowane 

przez maszynerię naprawczą (nukleazy)

• Mogą komplementować ze sobą prowadząc 

do fuzji chromosomów

• Efekty: skracanie telomerów i rearanżacje 

chromosomów

Telomery

1. Końce chromosomów
2. Zawierają sekwencje powtórzone
3. Skracają się przy każdym podziale 

komórkowym – komórki somatyczne mają 

ograniczoną liczbę możliwych podziałów

4. Telomeraza odbudowuje fragmenty 

telomerów

Białko + fragment RNA = Telomeraza
Aktywna konstytutywnie u 1-kom. Eukariotów
Telomery – markery nowotworzenia

Molekularne aspekty 

zmienności genetycznej – 

mechanizmy mutacji i 

naprawy DNA

Molekularne aspekty 

zmienności genetycznej

1. Mutacje
2. Naprawa DNA
3. Rekombinacja

Różnorodność żywych organizmów i ich 

sukcesy w zasiedlaniu prawie każdego 

skrawka powierzchni ziemi są wynikiem 

zmian genetycznych, które stopniowo 

akumulują się w ciągu milionów lat 

umożliwiając organizmom adaptację do 

zmieniających się warunków środowiska

Z perspektywy organizmu

„Jednak w krótkim czasie i z perspektywy 

indywidualnego organizmu każda zmiana genu 

jest często szkodliwa, szczególnie w przypadku 

organizmów wielokomórkowych, w których 

zmiana genu może z dużym 

prawdopodobieństwem wprowadzić zaburzenia 

w niezwykle złożonym i perfekcyjnie 

regulowanych procesach rozwojowych i 

fizjologicznych.” Albertś i inni

Mutacje

Np. Kolor papryki (2 szlaki – związane z 

ostrością)

Zmienność rekombinacyjna – pomidory dzikie x 

uprawne („tasowanie się” fragmentów 

chromosomów)

• Mutacja – zmiana w sekwencji 

nukleotydowej DNA

• Rekombinacja – przebudowywanie 

struktury części genomu:

– Wymiana fragmentów chromosomów

– Transpozycja ruchomego elementu

• Mutant – termin określający stan 

organizmu – w odróżnieniu od formy 

„dzikiej” (nizemutowanej)

• Mutagen – środek wywołujący mutacje

• Mutageneza – proces tworzenia mutacji

Hermann, Muller- odkrycie 

mutacji

• Promieniowanie X – indukowane 

mutacje

• Normalna częstotliwość mutacji jest 

znikomo niska

• Przez naświetlanie prom. X uzyskał w 

tydzień tyle mutantów muszki, ile 
wcześniej zidentyfikowano w 15 lat

Podział mutacji

Różne kryteria
1.Ze względu na zakres/długość 
zmienionej sekwencji
2.Konsekwencje fenotypowe
3.Warunki w których się ujawniają
4.Sposób powstawania
5.Inne

1. Ze względu na 

zakres/długość zmienionej 

sekwencji

• Punktowe (genowe - lokalne):

– Substytucja (najczęstsze – 

zastępowanie)

– Delecja (wypadnięcie)
– Insercja (wciśnięcia)
– Inwersja

• Chromosomowe (strukturalne)

Model substytucji 

nukleotydów

• Tranzycje

– Puryna  puryne
– Pirymidyna  pirymidynę

• Transwersje 

– Puryna  pirymidyna

• Prawdopodobieństwo transwersji jest 

niższe niż tranzycji (ok. 2 krotnie więcej) 
Tr/Tv >1

RYSUNEK

Mutacje punktowe - 

substytucje

• Substytucje ciche (synonimiczne)

– Naturalne, „niezauważalne”, nie prowadzące 

do zmiany w sekwencji aminokwasów białka

AGG  CGG (puryna  pirymidyna = 

transwersja)

Arg  Arg

• Substytucje missence 

– Zmiana kodowanego aminokwasu na inny
CAC  CGC (puryna  puryna = tranzycja)
His  Arg (obydwa aminokwasy są zasadowe – 

nie musi prowadzić do zmiany funkcji białka)

Mutacje punktowe - 

substytucje

• Substytucja nonsense

– Zmiana kodowanego aminokwasu na kodon 

STOP:

• Amber (UAG)
• Opal (UGA)
• Ochre (UAA)

– Silny efekt fenotypowy
UGG (Try)  UAG
GAG (Glu)  UAG
Dojdzie do przerwania syntezy białka – 

skrócone ich wersja

– Substancje mogą dotyczyć sekwencji 

kodujących 

Koniec syntezy 
białka!

Mutacje punktowe - 

substytucje

• Mogą dotyczyć obszarów 

niekodujących, ale wpływających 
zasadniczo na ekspresję genu:

– Obróbka RNA (destrukcja miejsca 

splicingu, kopiowania, poliadenylacji…)

– Mutacje w obszarach promotorów

SNP

• SNP – single nucleotide polymorphism 

(zmienność sekwencji polegająca na 

zmianach pojedynczych nukleotydów)

• Marker – wykrywanie chorób 

wynikających z mutacji punktowych

• 1 SNP na 300 zasad u człowieka – 

zidentyfikowano ponad 10 mimionów 

SNP’ów

• Zastosowanie:

– Markery genetyczne
– genotypowanie

Mutacje „frame shift” 

• Indele – mutacje punktowe 

(insercja/delecja) – dodanie/usunięcie 
niewielkiej liczby par zasad

– Mutacje „frame shift” – zmiana ramki 

odczytu – liczba nukleotydów indel jest 
inne niż 3 lub nie jest wielokrotnością 3

 AUA UAU AUA UAA
 AUA UAU AUA UAA
 AUU AUA UAU AA

Mutacje  „loss or gain of 

codons” 

• Mutacje utraty/uzyskania kodonu 

„loss or gain of codons” – liczba 
nukleotydów indel jest równa 3 lub 
jest wielokrotnością 3
białko straci/zyska 1 aminokws

AUA UAU AUA UAA
AUA AUA UAU AUA UAA

Mutacje chromosomowe

• Zmiany w dużych odcinkach DNA (strukturalne)

• Zmiany w strukturze lub abberacje chromosomowe

– Inwersje

– Duplikacje

– Delecje

– Translokacje

• Zmiany w liczbie chromosomów – mutacje 

chromosomowe liczbowe

• Stosunkowo rzadkie u bakterii

• Triploidy, Autoallooktaploid (skompletowane kilka 

genomów -truskwawki – częstsze u eukariotów)

• Np. arbuz (diploid żeński X Tetraploid męski – 

wydający nasiona = triploid)

• Ewolucja pszenicy

2. Konsekwencje 

fenotypowe

• Letalne
• Utraty/nabycia funkcji
• Morfologiczne
• Biochemiczne
• Ciche – kryptyczne (nic nie znaczące)

3. Warunki w których się 

ujawniają

• W zależności od ich ujawniania się od 

warunków, w których znajduje się 

organizm:

– Bezwzględne – obligatoryjne (mają zawsze 

efekt fenotypowy)

– Względne – fakultatywne – ujawniają się 

tylko w pewnych warunkach np. 

podwyższona temperatura

• Mutacja komórek płciowych – są dziedziczne
• Mutacja komórek somatycznych – nie są 

dziedziczone, ale mogą mieć wpływ na funkcji 

biologiczne organizmu nie przekazywane 

potomstwu (np. zmiany nowotworowe)

4. Sposób powstawania

• Spontaniczne – powstają bez udziału 

czynników zewnętrznych – tworzenie 

zmienności i napędzanie ewolucji

– W trakcie replikacji w wyniku pomyłek 

polimerazy 

– Na skutek uszkodzenia DNA

• Indukowane – wywoływane przez 

czynniki zewnętrzne mutagenne:

– Fizyczne
– Chemiczne 

4. Sposób powstawania

• Mutacje spontaniczne
• Pomyłki polimeraz

– Mylą się rzadko (posiadają aktywność 

korekcyjną)

1 raz na 10

7

- 10

8

 nukleotydów

• Polimeraza – naprawia błędy podczas 

replikacji, ale ciągle pozostaje 1 

nukleotyd błędny na 10

10

– 1 błąd na 2000 podziałów E. coli – błędy to 

najczęściej tranzycje

Mutacje spontaniczne

• Substytucje

• Błędy spowodowane przez poślizg polimerazy

– Tantomeryzacja zasad (występowanie zasad w formie 

izomerów strukturalnych)

Izomeryzacja do formy liniowej: replikacja i błędne 

parowanie C-A

– Deaminacja np. cytozyny/adeniny  (zgubi resztę –NH

2

)

Cytozyna  uracyl paruje się z adeniną

Polimerazy mają aktywność korekcyjną – najczęściej to 

substytucję

– Rzadziej indele i frame shift, powstają gdy matryca ma 

ciąg zasad tego samego typu

• Technologia markerów satelitarnych - (ślizganie się 

polimarazy – gorące miejsca mutacji) [w diagnostyce, 

ocenienie zmienności materiału genetycznego]

Mutacje spontaniczne

Uszkodzenia DNA:

– Utrata zasady
– Modyfikacje zasad i deaminacje
– Chemiczne modyfikacje
– Fotouszkodzenia
– Połączenia nici DNA
– Połączenia DNA z białkami
– Pęknięcia DNA

Uszkodzenia DNA

• Utrata zasady – utrata typu „ubytki zęba”

• Depurynadcja/ depurymidynacja – uszkodzenia „ubytek zęba” 

– przerwanie nici DNA

– Abasic site [zaburzenie integralności] 

• Reaktywne formy tlenu (ROS)

– HO·

– O

2-

– H

2

O

2

Uszkadzaja DNA lub nekluotydy / sygnalizacja
3000-5000 uszkodzeń w komórce E. coli – 1 generacja żyje ok. 40 

min)

Przykład uszkodzenia: oksydacja dGTP i dATP

dGTP  8-oxo-dGTP  (adenina-8-oksoguanidyna)

8-okso-deodkyguanozynotrifosforan
dATP  2-OH-dATP (cytozyna-guanina)

2-hydroksy-deoksyadenozynotrifosforan)

Mutacje indukowane – 

wywoływane przez mutageny

• Mutageny – czynnik jest mutagenny 

gdy ok. 1000 razy zwiększa 
częstotliwość mutacji w porównaniu z 
częstością mutacji spontanicznych

• Typy mutagenów:
1.Chemiczne
2.Fizyczne

Mutacje indukowane

1. Chemiczne

– Analogi zasad (włączenie zamiast zasad w czasie 

replikacji – błędne parowanie):

• Bromouracyl (5-Bromouracyl – BU) [tranzycja TA GC]
• Aminopuryna (2-aminopuryna – AP) [tranzycja AT  GC]

– Związki powodujące modyfikację zasad:

• HNO2 [tranzycja CG  AT, AT  GC]
• Hydroksyamina
• Związki alkalizujące (tworzące addukty) [metylujące i 

etylujące zasady w DNA]

– EMS  - etanosulfonian metylowy (metylujące i etylujące zasady 

w DNA)

– MMS (metamosulfonian metylowy)

• Związki powodujące kowalencyjne połączenie zasad

Mutacje indukowane

2. Fizyczne

– Związki interkalucje z DNA

•

Barwniki akrydynowe:

–

Proflawina

–

Oranż akrydynowy

–

Akryflawina

–

Bromek etydyny

– UV

•

UV A 320-400

•

UV B 280 -320

•

UV C 200-280 (ozon je absobuje)

– Promieniowanie o wysokiej energii (α, β, ɤ, 

neutrony, promieniowanie X)

Dimery timidynowe

• Tymina paruje się w pionie z sąsiadką

Test Amesa 

• Sprawdzanie czy związek jest 

mutagenem

• Wykorzystanie 4 szczepów 

Salmonella typhinurium

Systemy naprawy DNA

1. Bezpośrednie usunięcie uszkodzenia
2. Naprawa z wycięciem zasady BER (base 

excision repair)

3. Naprawa z wycięciem nukleotydu NER 

(nucleotide excision repair)

4. Naprawa błędnie sparowanych zasad 

MMR (mismatch repair)

5. Naprawa pęknięć 2 niciowych (na 

drodze rekombinacji) (recombination 

repair)

Bezpośrednie usunięcie 

uszkodzenia

• Enzym fotoliza (wykorzystuje światło 

do rozcinania dimerów trimidynowych) 
[nie występuje u człowieka] – białko 
zawiera chromofory

• Białka dealkalizujące
• MGMT – metylotransferaza RNA-06-

metyloguaniny (rozpoznaje i przekłada 
resztę –CH

3

 na siebie i ulega 

degradacji)

Naprawa z wycięciem zasady 

BER (base excision repair)

• Mutacja typu „wybicie zęba”

Glikozydy DNA – rozpoznaje uszkodzenia i 

przecina wiązania N-glikozydowe między 

zasadą i deoksyrybozą – usówanie 

błędnej zasady i powstanie miejsca AP. 

Wykonane nacięcie obok miejsca AP 

przez endonukleazę AP – powstaje wolny 

koniec 3’ – OH Polimeraza syntetyzuje nić 

komplementarna do końca 3’-OH 

wyjadając to co jest przed nią i po niej

Naprawa z wycięciem 

nukleotydu NER

• Nucleotide excision repair (A, B i C)

• Białka Uvr (skanuje w miejscach 

podejrzanych)

• B i C – wyjada uszkodzenia + polimeraza 

 naprawa 

• GGR (global genome repair) – człowiek 

• Naprawa: rejony nie ulegające transkrypcji

• Nietranskrybowanie nici rejonów 

ulegających transkrypcji

• Sprzężona z transkrypcją TCR 

(transcription coupled repair)

Naprawa błędnie sparowanych 

zasad MMR

• MMR – Mismatch Repair
• Bakterie, ssaki
• Uszkodzenia deaminacji, utleniania, 

metylacji zasad, błędy w replikacji

– Mut L
– Mut S
– Mut H (bakterie) – odróżnia nić z błędnie 

wstawionym nukleotydem [rozcięcie nici]

Naprawa pęknięć 2 niciowych 

(na drodze rekombinacji)

• Rekombinacja (popękanie 2 nici)
• Białka BrC1 & 2 (rak piersi)

Podsumowanie

• DNA – różnego typu uszkodzenia – 

naprawa na różne sposoby

• Brak naprawy = mutacja
• Defekty maszynerii naprawiającej są 

związane z różnymi chorobami

Rekombinacja DNA i jej 

zanaczenie

Rekombinacja

• Proces, przerwanie ciągłości ½ nici 

DNA i połączenie z ½ niciowym 
innym fragmentem DNA

• Technologia zrekombinowanego DNA
• Breakage and rejoining
• Podstawowa rola:

– Usówanie pęknięć w cząsteczkach DNA
– Umożliwia zmienność genetyczną

Rodzaje rekombinacji

• Homologiczna:

–

Wymaga homologii sekwencji pomiędzy partnerami o 

długości rzędu 1 genu (dość długa)

–

Może zachodzić w każdym miejscu chromosomowym 

pod warunkiem obecności homologicznej sekwencji

–

Całkowicie zależna od Rec A (procariota – specjalne 

białko)

• Zlokalizowana side-specific

–

Zależna od miejsca, partnerzy muszą mieć 

homologiczną sekwencję, ale bardzo krótką 

(kilkanaście nukleotydów)

–

Nie wymaga białka Rec A, ale innych białek (np. 

integralna faza λ lambda)

Rodzaje rekombinacji

• Transpozycja

– Nie wymaga homologicznej sekwencji
– Nie wymaga Rec A, ale wymaga 

działania transporazy

• Nieuprawniona – illegitimate

– Wszystkie typy rekombinacji, których nie 

mżna wytłumaczyć

Klasy zaburzeń 

rekombinacyjnych

• Rekombinacja intermolekularna:

– Single crossover 
– Double crossover

• Rekombinacja intramolekularna 

(wewnątrzcząsteczkowe)

Może prowadzić do utraty genu:
1.Skierowane w 1 kierunku cząsteczkowym
2.Skierowane w przeciwne strony   może 

dojść do inwersji genów 

Inwersja genu lub delecji

• Rysunek

Model rekombinacji

• Holiday’a „wakacyjny”

– Zapoczątkowana przynajmniej jednym 

pęknięciem w obrębie sekwencji homologicznej 

każdego z parametrów (razem 2 napięciach)

– Model inwazji 2 nici DNA

• Wymiana krótkich fragmentów
Lub

• Crossing over – wymiana dużych fragmentów 

chromosomów

Szlak Rec B C D (przeciąganie nici)

• A – inicjuje proces

• A i B – odpowiada za przeciąganie, kontrola 

wymiany

• C – rozcina struktury Holiday’a

• Rekombinacja site-specific – integracja 

faga λ

• Rysunek 
• Systemy rekombinacji – trangeneza 

roślin zlokalizowanej

• Cre/lox P – z bakteriofaga P1

– Usuwanie genów markerowych
– Umieszczanie transgenów w określonym 

miejscu

Niehomologiczna  

rekombinacja

• Generuje więcej błędów

• Kompleks KCl  zabezpiecza końce i przyciąga 

kolejne białka tworzące kinazę zależną od DNA 

(DNA- PKcs)

• Kinaza DNA-PKcs grupuje końce DNA naprzeciwko 

siebie i powstaje 1 kompleks – synapsa

• Autofosforylacja i fosforylacja białka nie wymaga 

homologii

• Gdy pękną 2 nici

• Rekombinacja V(D)J związana z receptorami 

układu limfatycznego. Rekombinacja pozwala na 

wytworzenie licznych kombinacji miejsc 

wiążących się z antygenem – zachodzi we 

wczesnych etapach powstawania komórki 

limfatycznych (odporność)

Transpozycja

• Wykorzystuje mechanizmy:

– Rekombinacji zlokalizowanej – site 

specific

– Rekombinacji niehomologicznej - NHEJ

Podsumowanie 

1. Rekombinacja zlokalizowana oraz 

niehomologiczne – inaczej niż homologiczne

2. Poste systemy rekombinacji zastosowanie 

znalazły w inżynierii genetycznej

3. Transpozony bakterii i eukariotów wykazują 

szereg podobieństw – między innymi 

posiadają odwrócone powtórzenia oraz 

transpozazy

4. Rekombinacja V(D)J jest rekombinacją 

fizjologiczną prowadzącą do powstania białek 

receptorowych w komórkach limfatycznych

Ekspresja genów

• Odczytywanie informacji genetycznej 

zapisanej w DNA:

– Transkrypcja
– Translacja 

DNA– transkrypcja Pre-RNA  mRNA 

– translacja  Białko – obróbka  

folding/localization submit assembly 

(droga do odpowiedzi kompartmentu) 

 Biological function  Propagation

Regulacja ekspresji genów

• Mechanizmy + jakie poziomy
• Znaczenie:

– Rozwój i zróżnicowanie
– Odpowiedzi na warunki 

środowiskaprocesy chorobowe

– Produktywność organizmów użytkowych

Poziomy regulacji ekspresji 

genów

• Transkrypcji:

– Dostęp do DNA (metylacja DNA)

– Inicjacja transkrypcji (metylacja DNA)

– Terminacja transkrypcji

• Potranskrypcyjne:

– Splicing i editing RNA (nie wycięte introny)

– Stabilność RNA

• Translacja:

– Inicjacja translacji

– Terminacja translacji

• Potranslacyjne:

– Transport białka

– Cięcie białka

– Modyfikacje potranslacyjne białka

– Degradacja białka

Wzór modyfikacji histonów 

wpływa na ekspresję genów

Struktura zwarta                  struktura 
rozluźniona

Acetylacja lizynowych reszt w ogonkach 
histonów rdzeniowych prowadzi do zaburzeń 
struktury przestrzennej i reguluje ekspresję 
genetyczną u eukariota – umożliwia pracę 
czynnikom transkrypcyjnym

Acetylacja 

Deacetyla
cja 

Ekspresja genów - 

transkrypcja

• Przepisywanie informacji genetycznej z 

DNA na RNA

• Polimeraza rybonukleotydów katalizowana 

przez RNA zależną od DNA, która łączy się 

z DNA w rejonie zwanym promotorem

• Prowadzi do utworzenia RNA o sekwencji 

komplementarnej do matrycowej nici DNA

• Etapy:

– Inicjacja

– Synteza RNA

– Terminacja i obrobka transkryptów

Transkrypcja

• Zachodzi na matrycy 1 niciowej DNA
• Syntetyzowana w kierunku 5’  3’
• 1 nukleotydem na końcu 5’ 

transkryptu jest Bpi

• Do inicjacji transkrypcji nie jest 

wymagany starter, ale białka inicjujące 
transkrypcję (zdolność współdziałania 
z DNA – specyficzna budowa)

Białka wiążące z DNA

• Czynniki transkrypt  kontynuujące  

ekspresjęgenów

• Wiążą się z obszarem promotorowym – cis – 

regulatorowym

• Białka posiadają charakter domeny
• Domena typu helisa-skręt-helisa (HTH)

– Np. posiadają represor laktozowy

• Wpasowują się w duży rowek DNA
• Domen homeostatyczna (np. białka 

odpowiedzialne za rozwój kwiatów)

– Mutacje hometyczne

Palce cynkowe

• Ok. 1% genów koduje białko z tą 

domeną

• Euraryota

Etapy transkrypcji

• Inicjacja – rozpoznawanie sekwencji 

cis-regulatorowej

• Kompleks transkrypcyjny

Polimerazy RNA zależne od 

DNA

• Procariota 1-na na wszystkie geny
• Eucaryota:

– Pol. RNA I (geny kodujące 28S, 18S rRNA)
– II (geny kodujące białka
– III (geny kodujące tRNA 5 sRNA, U6 – sn RNA, 

małe jąderowe RNA i mała cytoplazma RNA)

– Polimeraza mitochondrialna (podobna do 

fagowej) [geny mitochondrialne]

– Polimeraza chloroplastowa (geny 

chloroplastowe) [podobna do bakteryjnej]

Transkrypcja u procariota i 

eucariota

• Procariota:

– Brak kompartmentacji etapów procesu

– Bezpośrednio się wiążą *

– Promotory bardzo proste z miejscami 

konserwatywnymi (TSS – miejsce rozpoczęcia 

transkrypcji)

• Eucariota:

– Więcej check pointów

– Powstałe platformy białek (czynniki transkrypcyjne) 

[dłuższe, bardziej rozbudowane]

– Promotory bardziej złożone i inne dla poszczególnych 

genów i polimeraz

• *Polimerazy RNA wiążące się specyficznymi 

sekwencjami DNA –promotorami

TATA box (polimeraza II)

• Rozplontanie 2 niciowego DNA aby 

mogła zajść transkrypcja

• 1 miejsce konserwatywne ale 

dowolność w miejscach 
regulatorowych

Inicjacja transkrypcji

1. Zamknięty kompleks promotorowy
2. Otwarcie kompleksu promotorowego 

– rozplecenie DNA

3. Rozpoczęcie syntezy
4. Ruch kompleksowy – opuszczenie 

promotora, synteza RNA

• Modułowa budowa promotorów – 

różnorodność elementów cis-
regulatorowych (specyficzne 
eksprymowanie różnych genów)

• Znaczenie dalej położonych sekwencji 

enhancerów rozpoznawanych przez 
białka aktywatorowe

• Rejon odległy dzięki wyginaniu DNA 

może wpływać znacznie…

Regulacja inicjacji 

transkrypcji

• Geny konstruktywne
• Geny indukowane

Transkrypcja u Procariota

• Polimeraza DNA

– Tylko 1
– Holoenzym z 5 podjednostek i czynnika σ
– Metaloenzym zawierający 2 atomy cynku 

związane z rdzeniem

• Regulacja na poziomie inicjacji

– Struktura promotora i czynniki σ 

(załadowane polimerazą)

– Alternnatywne
– Awaryjne – inne sekwencje i położenie boxów

Operon laktozowy

• Operatorowe sekwencje – blokowanie 

transkryptu rozpoczętej na 
promotorze

• Operator (DNA) i represor (białka)
• Obecnośćlaktozy indukuje ekspresję 

operonu lac

• Blokowanie laktozy jeżeli mamy coś 

lepszego w środowisku niż laktoza

Operon tryptofanowy

• Operon i represor – obecność 

tryptofanu

• Reprymuje ekspresję operonu
• Gdy brakuje – represor bez tryptofanu 

nie potrafi zablokować transkrypcji

• Reguluje ekspresję kilku genów – 

Regulon [zbiór genów kontrolowanych 
na 1 sposób]

Inicjacja transkrypcji

1. Szczególna rola i specyficzne właściwości 

białek wiążących się z DNA

2. Typy polimeraz DNA – 1-na u procariota, 

3+2 u eucariota

3. Promotory – specjalne sekwencje DNA w 

obrębie których powstaje kompleks 

transkrypcyjny

4. Regulacja inicjacji jest podstawowym 

sposobem kontroli ekspresji genów

5. Można wyróżnić różne sposoby regulacji 

inicjacji (białka represorowe, aktywatorowe)

Synteza RNA u Eucaryontów

Transport mRNA

• Transkrypcja NIE JEST sprzężona z 

translacją

• mRNA (jądro)   cytoplazma
     transkrypcja          translacja
• Synteza RNA:
1.Polimeraza RNA (miejsce start)
2.Transkrypcja

• Wytwarzanie czapeczki CAP – 

powstaje gdy koniec 5’ opuści 
kompleks transkrypcyjny

– Posiadają transkrypty syntezy przez 

Polimerazę II RNA

– Odgrywa znaczną rolę w inicjacji 

translacji

• Dołączenie GTP (Gppp) + Metylacja

• Terminacja syntezy mRNA jest związana z 

poliadenylacją
poliadenylacja – polimeraza Poli (A)

– „ogon” poli A jest związany z inicjacją translacji
CPSF i CSTF (Białka związane z Poly (A)) – dodaje 

ciąg adenin (ogon) [łatwo wyławianle 

konkretne RNA dzięki ogonkowi]

• Wycinanie intronów – splicing

Splajsosomy – białka +

RYSUNEK

• Korpus składający RNA tworzy małe 

jądrowe sn RNP rybonukleoproteiny

– Intron  degradacja

• Alternatywny splicing

– Omijanie/pozostawianie egzonu
– Wycięcie/pozostawienie intronu
– Wybór egzonu początkowego
– Wybór egzonu kończącego

• Editing – redagowanie niektórych 

transkryptów

• Deaminacja cytozyny  uracylu 

(powstawanie kodonu stop)

• Apolipoproteina (u człowieka)
• Rośliny – geny mitochondrialne i 

chloroplastowe

• Regulacja transkrypcji – kodon Stop
• Degradacja RNA – Degradosom 

(przyczepia i tnie) – tylko to co 
niepotrzebne

• Zachodzi, gdy zlikwidowany zostanie 

ogon i czapeczka

Interferencja DNA

• Interferencja DNA (Fire, Mello 1998 Nobel) – 

włączanie genów za pomocą zróżnicowanych 

fragmentów RNA

– Stary mechanizm wyciszania genów oparty o 

homologię sekwencji

– Odgrywa istotną rolę w obronie przed wirusami oraz 

regulacji rozwoju (miRNA)

– Jest inicjowana przez 2 niciowe RNA które inicjuje 

specyficzną degradację transkryptów (negatywna)

– Może być wykorzystana do ukierunkowanej 

mutagenezy prowadzącej do obniżenia poziomu 

ekspresji danego genu

– Daje możliwość specyficznego włączenia genów

• Końcowym efektem ekspresji genów jest zestaw 

funkcjonowalnych białek w komórce – Proteom

• Ilość i rodzaj białek w komórce odzwierciedla 

równowagę pomiędzy syntezą nowych białek, 

degradacją już istniejących

• Waiłow badał zmieniające się w wyniku 

modyfikacji chemicznej oraz innych obróbki 

białek

• Dzięki połączeniu procesów syntezy, 

degeneracji i modyfikacji dostosowują się do 

zewnętrznych wymagań komórki i odpowiedzi 

na czynniki zewnętrzne

Translacja – ostatni etap 

ekspresji informacji 

genetycznej

• Synteza białka na matrycy mRNA
• Rybosomy
• Za interpretację kilku genów – 

odpowiadają tRNA

Kod genetyczny

• Kod 1 nukleotyd 4 aminokwasy
• Kod 2 nukleotydy 4

2

=16 

aminokwasów

• Kod 3 nukleotydy 64 aminokwasy
• Kod trójkowy gwarantuje unikalność 

niezbędną do kodowania 20 
aminokwasów

Odkrycie kodu 

genetycznego 

• 1961 – Nirenberg i Khorana

• Bezkomórkowy system translacji i syntezy mRNA
1.

Trójkowy – 3 sąsiadujące ze sobą nukleotydy 

(kodon) – określają aminokwasy

2.

Nie jest zachodzący na siebie

3.

Nie ma znaków przystankowych

4.

Kodonem start jest ATG (AUG)

5.

Stop kodonem jest TAA, TGA, TAG

6.

Jest odczytywany od ściśle określonego miejsca

7.

Odczyt ma sens tylko w 1-nym kierunku

8.

Jest zdegradowany – niektóre aminokwasy są 

kodowane przez więcej niż 1en kodon

9.

Jest uniwersalny od wirusów do czlowieka

Odstępstwa od kodu 

uniwersalnego

• Rzadkie
• Biosynteza w mitochondriach
• Rozchwianie kodu out of Tree – 2 

zasady zamiast 3

tRNA i amninoacylacja

• Elementy struktury tRNA:

– Ramie akceptorowe

– Ramię D – zawiera dihydrourynę

– Ramię antykodonowe

– Pętla zmienna

– Ramię Tψc zawiera pseudoourydynę

• 73-93 nukleotydy

• 50-60 typów tRNA w komórce

• Podobne do siebie

• Posiadają nietypowe zasady od 7-13 na 1 cząsteczkę 

na ramieniu Tψc

• Ma strukturę trójwymiarową

• Litera L – wynik odziaływania ramienia D i Ramię Tψc 

(unoszą do góry i zaczepiają – tworzą się wiązania)

Aminoacetylacja 

• „załadowanie” odpowiedniego 

aminokwasu na tRNA

• Synteza aminoacetylo – tRNA

– Dołączenie do końca 3’ –CCA OH
– Energia z ATP
– Syntetazy rozpoznają różne elementy 

cząsteczki tRNA

– Wysoka specyficzność w stosunku do 

tRNA

– Aktywność korekcyjna

Rybosomy

• Średnica 20 mm
• W każdej komórce (+ mitochondria + 

chloroplast – podobnie do 
bakteryjnych)

• Zbudowane z podjednostek (większa 

i mniejsza)

• Kompleks białkowo-nukleinowy
• rRNA + bialka

Skład

Podjednostka

Procariota

Eucariota

Duża

50S

60S

23 S 5SrRNA

28S, 5S I 5,8 SrRNA

35 białek

49 białek

Mała 

30S

40S

16S rRNA

18SrRNA

21 białek

33 białka

Rybosom

70S

80S

Rybosomy

• Składają się:

– 2/3 z RNA

– 1/3 z białek

• 1-yńcza komórka zawiera tysiące rybosomów

• Są RYBOZAMI! (zachowują się czasami jak 

enzymy)

• Funkcje:

– Jednostka dekodująca, przepisująca kod zapisany 

w mRNA na sekwencję białka (mniejsza 

podjednostka)

– Aktywność transferazy peptydylowej, katalizatora 

wiązania peptydowego (duża podjednostka)

– Mikroautomatch (??) przemieszcza się wzdłuż 

łańcucha mRNA i przepuszczając go przez siebie 

koduje cząsteczki mRNA

• Struktura 2-rzędowa rRNA – seria szpilek do włosów

– Ok. 70% części rRNA występuje w postaci sparowanych 

odcinków

– 30% części nie sparowane – rozrzucone

• Określona struktura przestrzenna (narzucenie kształtu 

przez sekwencję)

• Struktura 3-rzędowa + RNA rybosomów 70S

• 16S = 1542 nukleotydy

• 5S = 120 nukleotydów

• Białka pełnią rolę ochronną – pancerzyk, który chroni rRNA

• rRNA decyduje o kształcie białka rybosomów „inkrustują” 

rRNA

• Większość zasadowe:

– RPS – białka rybosomalne małej podjednostki

– RPL – białka rybosomalne dużej podjednostki

Translacja

• Reakcja enzymatyczna – wytworzenie 

wiązania peptydowego

• Rybosomy – funkcja porządkująca 

(ustawienie cząsteczki w jednej właściwej 

pozycji zapewniającej zajście reakcji)

• W biosyntezie białek uczestniczy kilkadziesiąt 

składników mało i wielkocząsteczkowych

• Aktywowane grupy karboksylowe estryfikują 

wolne grupy aminowe – potrzebna jest 

energia do aktywacji grupy karboksylowych

Synteza polipeptydów

• mRNA odczytywanie zawsze w 

kierunku 5’ (NH3) 3’ (COOH)

• Inicjacja translacjacji u Procariota:
1.Inicjacja
2.Elongacja
3.Terminacja

Procaryota 

• Utworzenie kompleksu rybosomu na mRNA
• Czynniki indukujące IF1, IF3 wiążą się do 

podjednostki 30S rybosomu

• IF2 wiąże się z GTP i inicjatorowym tRNA 

(fermylometionylo – tRNA) a następnie 
kompleks wiąże się z kodonem start w 
mRNA

• Przyłącza się podjednostka 50S powstaje 

czynny rybosom 70S – czynniki IF są 
uwalniane

• Zawiera 3 miejsca wiązania aminoacylo-tRNA 

rybosomu

• Mała podjednostka – wiązanie mRNA

• Duża podjednostka – katalityczna

• Miejsce:

– A – aminoacetylowe

– P – peptydylowe (łańcuch peptydowy)

– E – wyjście – exit

• Elongacja transkrypcji:

– Wejście aminoacylo-tRNA do miejsca A

– Tworzenie wiązania peptydowego (czynnik białka 

EF-Tu)

– Translokacja rybosomu przesunięcie o 3 

nukleotydy (czynnik EF-G)

Terminacja translacji

• Wyznacza kodon stop

• Rozpoznają przez białka czynników uwalniających

• Następuje dysocjacja rybosomu

• Polisomy – wiele rybosomów może wiązać się do 

tego samego mRNA

• Białko z Ricinus Comunis – białka inaktywujące 

rybosom

• Antybiotyki hamujące syntezę białek:

– Streptomycyna (wiąże się z podjednostką 30S i 

hamuje inicjację translacji oraz błędne odczytywanie 

mRNA)

– Tetracyklina, chloramfenicol, erytromycyna, 

cykloheksymia

Translacja u eukaryota 

(cytoplazmatyczna)

• U roślin ok. 75% białek 

syntetyzowane w cytoplaźmie

• 20% w chloroplastach
• 2-5% w mitochondriach
• Struktura eukariotycznego mRNA
• Mechanizmy translacji u eucaryota:

– Udział czapeczki i ogona poliA i 

skanowanie w poszukiwaniu kodonu start

– Mechanizm stresowy: elementy IRES…

Cykl życiowy białka

• Polipeptydy:

– Struktura 3D

– Obróbka proteolityczna (np. odcięcie 

sygnalizacji)

– Modyfikacje chemiczne

– Inteisn splicing  - inteiny (usuwanie nietypowych 

fragmentów)

• 2 klasy chaperonów:

– Hsp 70 – chaperoniny, białka PDI (lokalnie 

odziaływują z białkiem już na etapie syntezy – 

chronią przed przypadkowym składaniem się 

obszary hydrofobowe

– … dziłają później i wymagają ATP

• Obróbka proteolityczna białka

– Preproinsulina

• Transport bialek

– Regulacja
– Kierowanie się do odpowiednich 

kompartmentów

• Sekwencja sygnałowa w białku 
• Modyfikacje potranslacyjne białek

Degeneracja białek

• Regulacja strukturalności bialek 

– Przyłączenie UBIKWITYNY

• Sekwencja degradacji
• Przyłączenie
• Degradacja – proteasom

• Degradacja białka – Proteasom 

(śmietnik)

Regulacja ekspresji genów na 

poziomie translacji i 

potranslacyjnie

• Inicjacja translacji
• Transport białka
• Cięcie białka
• Modyfikacje potranslacyjne bialka
• Degradacja bialka

Podsumowanie

1. Ekspresja genów – regulowana przez 

szereg procesów na wielu 
poziomach

2. Najważniejsze poziomy:…
3. …