Występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.
Występują 4 rodzaje zasad:
adenina (A)
guania (G)
tymina (T)
cytozyna (C)
Ze względu na budowę można wyróżnić dwa typy zasad:
- pochodne PURYNY złożone z dwóch sprzężonych pierścieni węglowo - azotowych, różniące się tylko bocznymi grupami egzocyklicznymi [ adenina i guanina ]
- pochodne PIRYMIDY , każda z nich zawiera pojedynczy pierścień węglowo - azotowy, różnią się one bocznyi grupami [ tymina i cytozyna ]
NUKLEOZYDY - związki powstające przez połączenie zasady purynowej lub pirymidowej z cukrem. Cukrem występującym w DNA jest deoksyryboza, tworzy więc deoksynukleozydy. W DNA występują 4 rodzaje deoksynukleozydów: deoksyadenozyna, deoksyguanozyna, deoksytymidyna, deoksycytydyna.
kwas DNA jest makrocząsteczką zbudowaną z 2 łańcuchów tworzących prawoskrętną helisę.
Każdy łańcuch tworzą NUKLEOTYDY
↓składają one się z reszty fosforanowej połączonej z grupą hydroksylową nukleozydu związaną z węglem piątym reszty cukrowej, a wiec tworzą nukleozydo - 5' - fosforany ; resztą cukrową w DNA jest deoksyryboza i dlatego zawarte w nim nukleotydy nazywamy deoksynukleotydami.
Poszczególne nukleotydy połączone są poprzez cukier i resztę kwasu fosforowego i tworzą długą nić. Dwie nici powiązane są mostkami zbudowanymi między zasadami azotowymi ułożonymi komplementarne - zawsze adenina łączy się 2 wiązaniami wodorowymi z tyminą, a cytozyna 3 wiązaniami wodorowymi z guaniną W ten sposób jedna nić DNA wyznacza budowę drugiej nici ,mówimy zatem że dwie nici są komplementarne ,czyli wzajemnie się uzupełniające .
[ DNA jest więc dwuniciowym polinukleotydem ]
Nukleotydy w DNA łączą się ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi
Każda z nici DNA ma na jednym końcu (oznaczanym jako koniec 5'), przy ostatnim nukleotydzie wolną grupę fosforanową przy węglu 5' deoksyrybozy, a na drugim końcu (oznaczanym jako koniec 3') ostatni nukleotyd posiada wolną grupę hydroksylową przy węglu 3' deoksyrybozy. Ze względu na to, że helisa dwóch nici DNA jest spleciona w ten sposób, że jedna z nici zaczyna się od końca 5' a druga od końca 3', mówi się, że obie nici są względem siebie antyrównoległe.
Łańcuch nici DNA zawiera informację genetyczną o kolejności aminokwasów w białkach kodowaną w postaci trójek nukleotydowych odpowiadających odpowiednim aminokwasom podczas syntezy białka. Nazywamy to kodem genetycznym.
RNA - kwas rybonukleinowy
cukier zawarty w RNA to ryboza, a nie deoksyryboza (ryboza zawiera grupę -OH w miejscu atomu wodoru deoksyrybozy).zamiast tyminy (T) RNA zawiera uracyl (U).
Nukleotydy połączone są tak samo jak w DNA: grupa fosforanowa łączy atom węgla
5'-rybozy z atomem 3'-rybozy sąsiedniego nukleotydu.
Ułożenie zasad azotowych w RNA nie jest dowolne. Ich kolejność jest lustrzanym odbiciem kolejności ułożenia zasad azotowych w jednej z nici DNA.
RNA jest zazwyczaj jednoniciowy; postać dwuniciowa, analogiczna do dwuniciowego DNA, występuje głównie jako materiał genetyczny niektórych wirusów
REPLIKACJA DNA
to proces, w którym podwójna nić DNA ulega skopiowaniu.
Replikacja jest semikonserwatywna/ półzachowawcza - w każdej z dwóch uzyskanych podwójnych nici DNA będzie jedna nić macierzysta i jedna nowa. Nie licząc niewielkiej szansy wystąpienia błędu obie cząsteczki DNA będą identyczne.
Rozpoczyna się od rozplatania nici DNA przy udziale enzymu helikazy (który ułatwia rozkręcanie nici). Do rozpoczęcia syntezy DNA potrzebny jest starter, utworzony z kwasu RNA. Łączy się on z jednoniciową matrycą DNA zgodnie z regułą komplementarności w miejscu nazywanym miejscem inicjacji replikacji. Replikacja przebiega w obszarze nazywanym widełkami replikacyjnymi. Wydłużenie jednej z powstających nici (5' do 3') odbywa się zgodnie z ruchem widełek w sposób ciągły - nić tę nazywamy prowadzącą (wiodącą). Natomiast synteza drugiej nici przebiega w kierunku przeciwnym do ruchu widełek replikacyjnych. Powstaje ona w postaci krótkich odcinków nazywanych fragmentami Okazaki. Nić ta nazywana jest opóźnioną. Syntezę każdego fragmentu Okazaki inicjuje odrębny starterowy RNA. Synteza ta przebiega w kierunku końca poprzednio utworzonego fragmentu. Poszczególne fragmenty zostają łączone przez enzym ligazę DNA (zespala się koniec 3' jednego fragmentu z końcem 5' drugiego fragmentu)
Łączenie nukleotydów w łańcuch polinukleotydowy wspomagają enzymy polimerazy DNA. Ostatecznie powstają dwie helisy. Każda złożona jest w połowie z nowej i starej (matrycowej) nici DNA.
Ogólny zarys ekspresji informacji genetycznej przedstawia poniższy schemat.
TRANSKRYPCJA
przepisywanie informacji genetycznej z DNA na RNA.
jest realizowana jako synteza cząsteczki RNA na matrycy jednej z nici DNA (nić sensowna).
uczestniczy w tym procesie kompleks enzymatyczny nazywany polimerazą RNA, a materiału budulcowego i zarazem energii dostarczają trifosforany nukleozydów (ATP, GTP, CTP, UTP).
U prokaryota powstający RNA jest od razu wykorzystywany jako matryca do translacji, gdyż oba te procesy przebiegają w cytoplazmie (brak otoczki jądrowej). U eukariota powstały w jądrze RNA jest niedojrzały - tzw. pre-mRNA i podlega obróbce posttranskrypcyjnej (wycinanie intronów i łączenie egzonów) oraz zabezpieczeniu końcówek mRNA - poliadenylacji od strony 3' i dodaniu trójnukleotydowej czapeczki zawierającej m.in. zmodyfikowaną guaninę do końca 5'. Dojrzały mRNA a także tRNA i rRNA przez pory w otoczce jądrowej opuszczają jądro i na terenie cytoplazmy na rybosomach biorą udział w procesie translacji (synteza białek).
Proces zaczyna się od powiązania polimerazy z promotorem - swoistym odcinkiem DNA stanowiącym sygnał do rozpoczęcia transkrypcji w tym właśnie miejscu. Po związaniu polimerazy z promotorem następuje przesunięcie jej w pozycję pierwszego nukleotydu genu ulegającego ekspresji. W tym miejscu rozpoczyna się synteza RNA, od końca 5`, do końca 3`. Trwa ona do momentu natrafienia przez polimerazę, na sekwencję nukleotydów DNA stanowiącą sygnał do przerwania transkrypcji. W tym miejscu następuje odłączenie polimerazy, oraz koniec syntezy DNA. w genach komórek eukariotycznych, mamy do czynienia z dwoma rodzajami odcinków. Są to eksony i introny. Eksony są odcinkami kodującymi, czyli wykorzystywanymi do syntezy np. białek. Introny z kolei to odcinki nie kodujące, nazywane niekiedy `pieszczotliwie' śmieciowym DNA. O dziwo czasem liczba nukleotydów stanowiących introny przewyższa liczbę nukleotydów będących eksonami. Transkrypt mRNA, w swojej strukturze zawiera zarówno eksony jak i introny. Nazywamy go pre-mRNA. Do translacji wymagane są jedynie eksony, zatem introny należy `wyrzucić', a pozostałe po tej `operacji' eksony ułożyć w odpowiedniej kolejności, tak aby struktura białka była prawidłowa. Nosi to nazwę obróbki potranskrypcyjnej. Ową `operację' polegającą na wycinaniu intronów a następnie składaniu eksonów, określamy mianem splicingu. Na tym jednak nie koniec. Zostają mianowicie zmodyfikowane oba końce pre-mRNA. Na końcu 5` zostaje dodana specjalna `czapeczka', która ma za zadanie ułatwienie wiązania małej podjednostce rybosomu, zaś na końcu 3` sekwencja 150-200 nukleotydów adeninowych (tak zmodyfikowany koniec 3` nazwano `ogonem poli'), co ma za zadanie uchronienie cząsteczki mRNA przed działaniem groźnych dla niej enzymów - endonukleaz RNA (rozkładają one RNA).
TRANSLACJA
to biosynteza białka na matrycy mRNA. Przebiega na rybosomach. Po przepisaniu informacji z nukleotydowej sekwencji DNA na RNA (mRNA), translacja pozwala na przetłumaczenie szyfru nukleotydowego na język aminokwasów w białku.
Składa się z trzech etapów:
Inicjacja
Inicjacja jest pierwszym etapem translacji. Sprawą priorytetową jest odpowiednie ustawienie ramki odczytu z dokładnością do jednego nukleotydu. Jej złe ustawienie spowodowałoby niepoprawne odczytanie wszystkich genów, a w rezultacie zsyntetyzowanie nieprawidłowego białka. Trójką startową jest trójka nukleotydów AUG, i to od niej zaczyna się synteza polipeptydu.
w komórkach eukariotycznych nie dochodzi w pierwszej kolejności do połączenia się mRNA z małą podjednostką rybosomu. Czyni to metionylo-tRNA. Dopiero później podłącza się mRNA w pobliżu końca 5`. Przesuwa się on do momentu, w którym metionylo-tRNA odszuka trójkę startową AUG. Teraz do zakończenia inicjacji brakuje już tylko połączenia z dużą podjednostką rybosomu, po czym może nastąpić elongacja.
Elongacja
mRNA jest już połączone z rybosomem, ramka odczytu jest już ustawiona poprawnie. Następnym krokiem, jest wydłużenie łańcucha połączonych ze sobą wiązaniem peptydowym aminokwasów, czyli elongacja. Aby aminokwasy zdołały połączyć się wiązaniem peptydowym, muszą być ułożone w przestrzeni w odpowiedni sposób. Otóż rybosom posiada trzy specyficzne miejsca służące do wiązania aminoacylo-tRNA. Są nimi:
• Aminoacylowe (A)
• Peptydowe (P)
• Miejsce wyjścia (E)
mRNA przesuwa się w obrębie rybosomu, a co za tym idzie przemieszcza się przez kolejne miejsca wiązania aminoacylo-tRNA. W miejscu A dochodzi do wiązania nowych aminoacylo-tRNA, w miejscu P - peptydylo-tRNA (jest to tRNA z dołączonym do niego łańcuchem polipeptydowym), zaś w miejscu E następuje odłączenie wolnego już tRNA i jego powrót do cytoplazmy w celu poszukiwania następnej cząsteczki danego aminokwasu. W momencie, kiedy w dwóch pozycjach w rybosomie obok siebie, w pozycji A i P, znajdują się dwie cząsteczki tRNA z aminokwasami, wiązanie pomiędzy aminokwasem i tRNA ulega rozerwaniu, a wiązanie peptydowe pomiędzy tymi dwoma aminokwasami ulega utworzeniu. Po związaniu dwóch aminokwasów ze sobą, mRNA przesuwa się o długość trzech nukleotydów, tRNA z pozycji P przesuwa się do pozycji E i opuszcza rybosom. tRNA z pozycji A przesuwa się do pozycji P (jest teraz związany nie z pojedynczym aminokwasem, a z zsyntetyzowanym już fragmentem łańcucha polipeptydowego). Natomiast do pozycji A trafia `następny w kolejce' tRNA (związany z aminokwasem), którego kodon jest komplementarny do trójki nukleotydów obecnie znajdującej się na wysokości miejsca A. Elongacja trwa nadal według tego schematu do momentu, w którym w pozycji A znajdzie się kodon kończący translację - trójka STOP. Jest to zarazem początek następnego etapu - terminacji.
Terminacja
W cytoplazmie nie znajdziemy tRNA komplementarnego do trójki STOP. W jego miejsce wchodzi specjalne białko, czego następstwem jest rozpad rybosomu na mniejszą i większą podjednostkę, oraz uwolnienie mRNA i polipeptydu. Pomimo tego, że mRNA nie jest trwałą cząsteczką, możliwe jest zsyntetyzowanie na jego bazie kilku cząsteczek białek. Istnieje taka możliwość, gdyż mRNA może być jednocześnie związany z kilkoma rybosomami. Kompleks taki nazywamy polirybosomem. Kompleks ten występuje zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Łańcuch polipeptydowy już w trakcie translacji formuje się w struktury II, III i IV-rzędowe (struktura I-rzędowa to po prostu łańcuch połączonych ze sobą aminokwasów, zatem jej utworzenie podczas translacji jest oczywiste). Nie oznacza to jednak zawsze, że białko jest już aktywne. Czasem wymaga dopracowania przez np. przyłączenie reszt lipidu, cukru, modyfikację długości łańcucha lub po prostu musi trafić tam, gdzie ma spełniać swoje funkcje - np. do jądra. Tu kończy się ekspresja informacji genetycznej.