Struktura DNA & RNA

Friedrich Miescher

• opisał DNA (nazwane "nukleiną") w 1869

• znaczenia tego odkrycia nie doceniono przez 70 lat

Rosalind Franklin (1920-1958)

• King's College, Londyn

• prowadziła badania nad strukturą DNA z wykorzystaniem promieni X

• jej badania sugerowały spiralny kształt DNA

Maurice Wilkins (1916-2004)

• King's College, Londyn

• pracował z Rosalind Franklin

• przekazał badania Watsonowi i Crickowi bez zgody Franklin

Erwin Chargaff (1905-2002)

• Columbia University, NY

• badał skład DNA

• jego odkrycia w 1950 wykazały, że pary tworzą: A-T i G-C

• “zasada Chargaffa” A = T & C = G

James Watson (1928) i Francis Crick (1916-2004)

• opracowali w Laboratorium Cavendisha (Cambrigde University) model budowy przestrzennej podwójnej helisy DNA

• Watson, Crick i Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii za rok 1962

Model DNA wg Watsona i Cricka

• model podwójnej helisy - podstawowy element struktury przestrzennej DNA

• składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, które biegną w przeciwnych kierunkach i owijają się wokół wspólnej osi

• zasady azotowe nukleotydów znajdują się wewnątrz podwójnej helisy i są połączone wiązaniami wodorowymi w pary komplementarne

• reszty fosforowe znajdują się na zewnątrz

• fragmenty o strukturze podwójnej helisy znajdują się także w niektórych cząsteczkach RNA, np. tRNA

DNA = Deoxyribose nucleic acid (kwas deoksyrybonukleinowy)

• u eukariontów zlokalizowany jest głównie w jądrach komórek, u prokariontów bezpośrednio w cytoplazmie, natomiast u wirusów w kapsydach

• pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych

• DNA złożone jest z nukleotydów, które składają się z:

- cukru (deoksyrybozy)

- grupy fosforowej -PO4

- zasady: adenina (A) tymina (T) guanina (G) cytozyna (C)

puryny pirymidyny

Cząsteczka DNA jest uformowana z milionów nukleotydów połączonych ze sobą w łańcuch.

Kolejność (sekwencja) ułożenia zasad azotowych w łańcuchu determinuje strukturę pierwszorzędową. Dalsze struktury (drugo- i trzeciorzędowe) określają kształt przestrzenny makrocząsteczki.

Nici połączone są ze sobą tworząc podwójny heliks.

Łańcuchy owijają się wokół wspólnej osi i tworzą tzw. prawoskrętną podwójną helisę.

Reszty cukrowe i fosforowe, połączone ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym, znajdują się na zewnątrz helisy. Zasady połączone wiązaniami wodorowymi skierowane są do wnętrza
i tworzą pary zasad.

Na powierzchni helisy można wyróżnić dwa zagłębienia: mały i duży rowek.

Powstają one, ponieważ wiązania glikozydowe komplementarnych zasad nie leżą dokładnie naprzeciwko siebie.

Najczęściej występującą postacią DNA w przyrodzie jest tzw. „helisa B-DNA„ (opisana przez Watsona i Cricka). Dotychczas opisano 6 postaci cząsteczek DNA (A - E oraz Z). Większość z nich odkryto tylko w warunkach doświadczalnych. Cząsteczki te odróżnia:

• średnica heliksu,

• liczba par zasad przypadających na każdy zwój helisy,

• kąt pomiędzy każdą parą zasad,

• kierunek skrętu helisy.

	Typ helisy
	A	B	Z
Wzrost długości helisy na parę zasad	0,23 nm	0,34 nm	0,38 nm
Średnica helisy	2,55 nm	2,37 nm	1,84 nm
Kierunek skręcenia	prawoskrętna	prawoskrętna	lewoskrętna
Typ wiązania glikozydowego	anty	anty	anty dla C, T syn dla G
Liczba par zasad na skręt helisy	11	10,4	12
Skok helisy	2,53 nm	3,54 nm	4,56 nm
Odchylenie pary zasad od położenia prostopadłego do osi helisy	19 0	1 0	9 0
Duży rowek	wąski i bardzo głęboki	szeroki i dość głęboki	płaski
Mały rowek	bardzo szeroki i płytki	wąski i dość głęboki	bardzo wąski i głęboki

W każdej komórce (2n) człowieka znajduje się 6x10⁹ par zasad. Odległość między parami zasad wynosi 0,34x10^-9m, a więc długość DNA w jądrze komórkowym wynosi 6x10⁹ x 0,34x10^-9m = 2m

Średnia liczba komórek w ciele człowieka = 75x10¹²

Całkowita długość DNA w ciele człowieka = 150x10¹² m

Odległość Ziemia - Słońce = 150x10⁹ m

Każdy człowieka ma w sobie dość DNA, by rozciągnąć go w drodze do Słońca i z powrotem 500 razy!

Porównanie DNA i RNA

• cukier w RNA to ryboza (deoksyryboza w DNA)

• uracyl w RNA zamiast tyminy
  RNA i DNA również różnią się wielkością, strukturą i funkcją:

• cząsteczki RNA są krótsze niż DNA

• RNA jest zwykle pojedynczą nicią (postać dwuniciowa występuje głównie jako materiał genetyczny niektórych wirusów)

• DNA jest nośnikiem informacji genetycznej, zaś RNA występuje w postaci różnych rodzajów o określonej roli

Rybosomalne RNA (rRNA - ang. ribosomal RNA)

• rRNA powstaje w wyniku procesu transkrypcji DNA; u eukariontów za jego transkrypcję odpowiada polimeraza RNA I

• rRNA występuje w rybosomach, a u eukariontów także w jądrze komórkowym (gł. w jąderku, gdzie odbywa się jego synteza)

• struktura przestrzenna rRNA jest bardzo rozbudowana, tworzy go 100-4500 nukleotydów

• w jego budowie występują zarówno fragmenty dwuniciowej spirali jak i łańcuchów jednoniciowych

• rRNA stanowi ok. 80% całkowitego RNA komórki

• rRNA występuje w kilku rodzajach (najczęściej 3 u prokariontów i 4 u eukariontów):
  * u prokariontów mała podjednostka rybosomu zawiera 16S rRNA, a duża 5S i 23S rRNA,
  * u eukariontów mała podjednostka rybosomu zawiera 18S rRNA, a duża 5S, 5.8S i 28S rRNA

• rRNA jest rybozymem, składajacym się z 60% rRNA i 40% białek

• katalityczna aktywność rybosomu związana jest z zawartym w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji

rRNA

Matrycowy (informacyjny, przekaźnikowy) RNA (mRNA - ang. messenger RNA)

• funkcją mRNA jest przenoszenie informacji genetycznej o sekwencji poszczególnych polipeptydów z genów do aparatu translacyjnego

• mRNA, po przyłączeniu się do rybosomów, stanowią matrycę do syntezy polipeptydów, w której kolejne kodony są rozpoznawane przez odpowiednie antykodony cząsteczek tRNA transportujących aminokwasy

Transportujący (transferowy) RNA (tRNA - ang. transfer RNA)

• najmniejsze cząsteczki RNA, których zadaniem jest przyłączanie wolnych aminokwasów w cytoplazmie i transportowanie ich do rybosomów, gdzie w trakcie procesu translacji zostają włączone do powstającego łańcucha polipeptydowego

• tRNA stanowi 10-12% ogólnej ilości kwasów rybonukleinowych w komórce

• tRNA cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów; każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych tRNA

• tRNA występuje w komórkach w stanie wolnym lub związane ze specyficznym aminokwasem; kompleks tRNA-aminokwas nosi nazwę aminoacylo-tRNA

• w każdej komórce organizmu znajduje się przynajmniej 20 rodzajów cząsteczek tRNA i przynajmniej jedna odpowiada swoistemu aminokwasowi

• u człowieka są 22 geny mitochondrialne kodujące tRNA i około 500 funkcjonalnych genów tRNA w genomie jądrowym

• cząsteczki tRNA zbudowane są z ok. 74 do 95 nukleotydów; w skład wchodzą też zmodyfikowane nukleozydy

• Wzór strukturalny tRNA ma budowę palczastą i przyjmuje kształt czterolistnej koniczyny, w którym można wyróżnić 4 ramiona. Każde z tych ramion pełni inną funkcję:

• - ramię DHU - struktura spinki z dihydroksyuracylem, zawiera informację jaki rodzaj aminokwasu może być przyłączony do danego tRNA

• - ramię akceptorowe - sparowane zasady końców 3' i 5', oprócz końca CCA-3` niesparowanego, do którego przyłączają się chemicznie aktywowane aminokwasy
  za pomocą wiązania estrowego

• - ramię zmienne - tylko w niektórych tRNA

• - ramię Tψc - rybotymidowe, psi to modyfikowana zasada zwana pseudouracylem, służy do
  łączenia się z rybosomem i umocowania tRNA na matrycy

• - pętla antykodonowa - odpowiedzialna za rozpoznanie i związanie z kodonem w mRNA

Mały jądrowy RNA (snRNA - small nuclear RNA)

• snRNA występuje w jądrze komórkowym, jest niekodującym RNA pełniącym funkcję rybozymu podczas splicingu

• wszystkie snRNA biorą udział w splicingu, z wyjątkiem U7 snRNA, które jest zaangażowane w obróbkę końca 3' pre-mRNA histonów

• snRNA można podzielić na dwie klasy, Sm i Lsm; ze względu na wysoką zawartość nukleotydów urydynowych nazywane też UsnRNA

• snRNA wykazują biologiczną aktywność w kompleksach z białkami; kompleksy 8 białek i 1 z cząsteczek snRNA tworzą tzw. małe jądrowe rybonukleoproteiny (ang. small nuclear ribonucleoproteins, snRNP - „snurps”); snRNP stanowią ważny składnik spliceosomu

• dużą grupę snRNA stanowią małe jąderkowe RNA (snoRNA - small nucleolar RNA), biorące
  udział w obróbce rRNA polegającej na modyfikacjach chemicznych nukl.

MikroRNA (miRNA)

• jednoniciowe RNA o długości ok. 21-23 nukleotydów

• wchodzą w skład kompleksów blokujących specyficznie translację mRNA

• miRNA nie posiadają 100%-owej identyczności sekwencji do docelowego mRNA

• miRNA są zaangażowane w negatywną regulację ekspresji genów podczas rozwoju; ocenia się, że biorą udział w regulacji 30% ludzkich genów; są mediatorami mechanizmu interferencji z translacją mRNA (RNAi)

• są regulatorami post-transkrypcyjnymi wiążącymi się z sekwencjami komplementarnymi mRNA, czego skutkiem zwykle jest represja translacji lub degradacja i wyciszenie genu

• ludzki genom koduje ok. 1000 miRNA, których celem może być 60% genów

siRNA (small interfering RNA, short interfering RNA, silencing RNA)

• dwuniciowe RNA o długości ok. 20-25 par zasad

• powodują wyciszanie ekspresji genów o homologicznej sekwencji (interferencja RNA - RNAi)

• powstają przez pocięcie dwuniciowego RNA (np. wirusowego)

• krótkie siRNA wiążą się z kompleksem białkowym o aktywności rybonukleazy zwanym RISC, który wiąże się z komplementarną do siRNA cząsteczką mRNA i tnie ją na kawałki, uniemożliwiając w ten sposób powstanie kodowanego przez nią białka

• zazwyczaj sekwencja siRNA jest w 100% komplementarna z sekwencją docelowego mRNA

• rośliny (i inne organizmy eukariotyczne) wykorzystują mechanizm interferencji RNA poprzez siRNA do obrony przed wirusami