_CI_GA_4_.DOC

roślin miały zmierzać w ściśle określonym kierunku: aby podnieść plenność i zaspokoić potrzeby społeczeństwa socjalistycznego [Maksimow 1950, s. V-VI]. Badania roślin uległy więc zawężeniu i spłyceniu. Powstały liczne instytuty botaniczne, które jednak miały odgórnie ustalony program badań. Niektóre kierunki badań w ramach twórczego darwinizmu radzieckiego nie przyniosły żadnych rezultatów. Nie było miejsca i środków na badanie roślin pasożytniczych, chyba że w kierunku ich zwalczania, bo obniżały plon. Zwalczanie roślin pasożytniczych nie było jednak zbyt złożone i sprowadzało się wyłącznie do przenawożenia gleb.

Efektem hegemonii nauki radzieckiej w pozostałych krajach socjalistycznych było zahamowanie rozwoju nauk przyrodniczych oraz podręczniki nie odzwierciedlające aktualnego stanu wiedzy biologicznej, zwłaszcza w dziedzinie genetyki, biochemii, fizjologii i ewolucjonizmu. Następstwa tego okresu odczuwalne są do obecnych czasów.

Twórczy darwinizm radziecki przyczyniał się do obalania i deformowania darwinizmu klasycznego:

Materialną podstawą ewolucji są mutacje. Zmienność mutacyjna nie jest ukierunkowana. Kierunek zapewnia dobór naturalny.Dobór naturalny przybiera formę napędową lub stabilizującą. Postać napędowa jest klasyczną darwinowską formą doboru, prowadzącą do powstawania nowych adaptacji, do przekształcania budowy i funkcji żywych istot, wytwarzania nowych typów organizacji. Ten dobór działa przy zmieniających się warunkach bytowania organizmów.Dobór stabilizujący jest związany z eliminacją “nieudanych” modyfikacji, będących wynikiem przedwczesnych reakcji na przypadkowe, przemijające zmiany czynników zewnętrznych. Nierzadko organizm reaguje w nowych warunkach zmianami niekorzystnymi lub reaguje adekwatnie, ale na przypadkowe, krótkotrwałe zmiany czynników zewnętrznych. Takie reakcje są niekorzystne przy powrocie do normalnych warunków środowiska. Stąd wynika eliminacja takich osobników. Podtrzymywane jest życie i rozmnażanie osobników bardziej stabilnych.Przy doborze stabilizującym zanika determinujące znaczenie zewnętrznych czynników rozwoju indywidualnego i wzrasta znaczenie czynników wewnętrznych, dziedzicznych. Stabilizacji podlegają wszystkie cechy organizacji, mające znaczenie dodatnie w danym środowisku. Przystosowawczość indywidualna przybiera nowe

W 1928 r. F. Griffith wykazał doświadczalnie zjawisko genetycznej transformacji. Zjawisko to polega na tym, że wyizolowany czysty DNA określonego szczepu bakterii podany innemu szczepowi jest pobierany przez komórki bakteryjne. Pod jego wpływem nabierają one własności takich, jakie miały komórki dawcy DNA. Griffith opisał zmianę bezotoczkowego szczepu R Streptococcus pneumoniae w szczep S mający otoczkę, który jest zjadliwy (wywołuje zapalenie płuc). Doświadczenie polegało na wstrzyknięciu myszom małą ilość niezjadliwych komórek R wraz z zabitymi komórkami S. Po pewnym czasie udało mu się wyizolować z myszy zjadliwe bakterie szczepu S. W 1944 r. Avery, McCarty i McLeod potwierdzili, ze czynnikiem przenoszącym właściwości tworzenia otoczki z zabitych bakterii S do niezjadliwych bakterii R jest DNA.W latach 1951-1952 Lederberg i Zinder oraz Hershey i Chase - poprzez zjawisko transdukcji - wykazali, że tylko DNA jest potrzebne do zakażenia komórki bakteryjnej wirusem. Transdukcja polega na przeniesieniu DNA z komórki bakterii dawcy do bakterii-biorcy za pośrednictwem bakteriofagów, czyli wirusów pasożytujących na bakteriach. Transdukcja zapewnia rekombinację (zmienność) genetyczną bakterii. Przeniesieniu ulega wówczas mały odcinek DNA dawcy.

Chromosomy

·         Chromosomy to elementy jądra komórkowego, zawierające ułożone kolejno geny, warunkujące właściwości dziedziczne. Wg chromosomowej teorii dziedziczności Morgana – chromosomy są nosicielami cech dziedzicznych. Geny to materialne cząstki dziedziczenia.Chromosomy zawarte w komórce płciowej organizmu tworzą garnitur chromosomowy – monoploidalną (najmniejszą) podstawową liczbę chromosomów. Pojedynczy, monoploidalny zespół chromosomów wraz z podstawowym zestawem zawartych w nim genów nosi nazwę genomu. Innymi słowy genom to suma wszystkich genów zawartych w podstawowym, monoploidalnym zestawie chromosomów. U organizmów prokaryotycznych genom to zespól wszystkich genów zawartych w genoforze.Chromosomy są strukturami samoodtwarzającymi się, których liczba w komórce, kształt, umiejscowienie centromeru i organizacja są charakterystycznymi cechami gatunku. Komórka diploidalna 2n zawiera 2 zespoły chromosomów. Poszczególne chromosomy w jednym zespole są nawzajem niehomologiczne, ale każdy chromosom ma w drugim zespole podobnego strukturalnie partnera homologicznego, z którym może koniugować podczas mejozy. Komórki powstałe w mejozie (komórki płciowe) zawierają tylko 1 zespół chromosomów 1n, są więc haploidalne (monoploidalne). Matrix chromosomalne, czyli substancja podstawowa chromosomów zawiera nitkowate elementy zwane chromonemami (chromonemy), które przy podziale mitotycznym w postaci dwóch jednostek funkcjonalnych – chromatyd przechodzą w chromosomy potomne. Na chromonemach znajdują się zgrubienia – chromomery, uważane za miejsca lokalnej spiralizacji. Każda chromonema składa się z pasemek DNA. Niektóre chromosomy posiadają na końcach ramion nitkowate przewężenie z osadzoną kulistą główką – trabantem (satelitą). Trabanty pełnią funkcje jąderkotwórcze.Morfologiczny obraz zespołu chromosomów metafazowych komórki danego gatunku określany jest mianem kariotypu (karyotyp). Podczas badania kariotypu bierze się pod uwagę długość, kształt, przewężenie i liczbę chromosomów. Kariogram jest fotograficznym obrazem zespołu chromosomów jednej komórki uszeregowanych systematycznie wg długości oraz położenia centromeru. Idiogram jest graficznym obrazem chromosomów.Chromosomy nie wpływające na płeć osobnika noszą nazwę autosomów. Oprócz autosomów komórki zawierają chromosomy płciowe – allosomy, które różnią się wielkością i oznaczane są symbolami X i Y. Chromosomy te determinują płeć. W komórkach somatycznych płci żeńskiej są spotykane allosomy XX – osobniki żeńskie są więc pod względem allosomów homozygotyczne. W komórkach płci męskich występują allosomy XY, zatem osobniki męskie pod względem allosomów są heterozygotyczne.W chromosomach występuje 1 lub kilka przewężeń i mogą one być pierwotne oraz wtórne. W pierwotnych przewężeniach zlokalizowane są centromery. Przewężenia dzielą chromosomy na ramiona różnej długości. Ich lokalizacja jest zawsze jednakowa u danego gatunku. Liczba chromosomów jest stała dla gatunku. U człowieka w komórkach diploidalnych występuje 46 chromosomów, zatem w komórkach płciowych jest 23 chromosomy (23 pary homologiczne). Chromosomy 1-22 to autosomy, chromosomy 23 to allosomy (u mężczyzny chromosom Y jest mniejszy od chromosomu X).Należy pamiętać, że chromosomy są skondensowaną formą chromatyny, przygotowaną do precyzyjnego rozdzielenia i przekazania potomnym komórkom w czasie mitozy (lub mejozy). Najbardziej charakterystyczny kształt przybierają chromosomy w metafazie mitozy. Wzdłuż centromeru, na jego powierzchni znajduje się kinetochor – struktura łącząca włókna wrzeciona podziałowego z choromosomami. Kinetochor składa się z 3 płytek równoległych do powierzchni chromosomu; w jego chemiczny skład wchodzą białka, które uczestniczą w wiązaniu włókienek wrzeciona i w procesach ruchu chromosomów w anafazie.Jak już wspomniano, centromer dzieli chromosom na dwa ramiona. Jeżeli chromosom podzielony jest centromerem na dwa równe lub prawie równe ramiona nosi on wówczas nazwę chromosomu metacentrycznego (równe ramiona) lub submetacentrycznego (prawie równe ramiona). Jeżeli centromer położony jest na końcu chromosomu lub blisko jego końca, wówczas nosi nazwę chromosomu akrocentrycznego lub subakrocentrycznego. W chromosomach akrocentrycznych, występuje jedno ramię lub dwa ramiona, przy czym jedno z nich jest wówczas bardzo krótkie. Jeżeli na końcu jednego z ramion znajduje się przewężenie wtórne to tworzy ono krótki końcowy jego odcinek zwany satelitą. Końcem każdego ramienia jest telomer. Telomery zapobiegają zapętlowaniu się chromosomów.W komórce chromosomy występują także w mitochondriach. U człowieka mitochondria zawierają 10 pojedynczych kolistych dwuniciowych helis DNA. Ulegają one samoreplikacji. Kodują peptydy (elementy enzymów), rRNA i tRNA. Podlegają dziedziczeniu matczynemu, bowiem zawarte są w mitochondriach, poza jądrem, a wiadomo, że zarodek rozwija się z zapłodnionej komórki jajowej. Zatem potomstwo uzyskuje zawsze te pozajądrowe cząsteczki DNA od matki. Mężczyzna przekazuje potomstwu jedynie genom zawarty w jądrze plemnika.Telomery to naturalne zakończenia każdego z dwóch ramion chromosomów u Eucaryota. Wykazują złożona budowę, zawierają nieregularnie pofałdowane włókna chromatynowe, których końce zawijają się do wnętrza; ulegają ciągłym przemianom, zwłaszcza podczas podziałów komórki. Telomery posiadają stałą sekwencję –TTAGGG. Przy każdorazowym podziale komórki telomery ulegają skróceniu (łańcuchy DNA potomne są krótsze niż łańcuchy macierzyste, bowiem polimeraza nie jest w stanie zreplikować fragmentowanej /fragmenty Okazaki/ nici w całości, do końca, staje się ona krótsza za każdym razem o około 50 zasad). U młodych rozwijających się osobników telomery są wydłużane dzięki aktywności enzymu telomerazy (gen telomerazy mieści się na 5 chromosomie). W późniejszym wieku enzym ten nie jest wytwarzany. Telomeraza działa jedynie w narządach płciowych i w szpiku, dzięki czemu możliwy jest ciągły podział i produkcja komórek płciowych oraz komórek krwi. Telomeraza aktywna też jest w nowotworach.Komórki somatyczne (ciała) natomiast przestają się dzielić i tym samym regenerować (odnawiać), gdy długość telomerów przekroczy pewną krytyczną granicę. Rozpoczyna się wówczas starzenie i obumieranie tkanek oraz całego organizmu. Telomery są więc molekularnymi zegarami, obliczającymi długość życia komórek. Z jednej strony, utrata aktywności telomerazy chroni nas przed nowotworami, z drugiej jednak doprowadza do starzenia i śmierci. Nowotwory wymagają aktywności telomerazy do rozwoju i przetrwania, bowiem są to komórki mające zdolność nieograniczonych podziałów. Organizmy bezjądrowe Procaryota nie mają liniowych chromosomów z końcami -telomerami, lecz koliste cząsteczki DNA. Dzięki temu są nieśmiertelne w sensie nieograniczonej zdolności do szybkich podziałów (rozmnażania się). Jednakże wykazują one znacznie mniejszą bioróżnorodność i niewiele kierunków rozwoju ewolucyjnego.U organizmów eukariotycznych dzięki obecności wolnych końców chromosomów –telomerów możliwa jest wymiana fragmentów między genomem matczynym i genomem ojcowskim, co warunkuje rekombinację genetyczną i różnorodność osobników.     Ogólna struktura kwasów nukleinowych Kwasy nukleinowe stanowią około 1% składu organizmu. Są to typowe polimery (makromolekuły). Prostszymi składnikami, czyli monomerami są nukleotydy. Nukleotydy są to więc monomery, które tworzą długie liniowe struktury zwane polinukleotydami. Z punktu widzenia chemicznego nukleotydy należą do estrów nukleozydów z kwasem fosforowym. Większość nukleotydów posiada kwas fosforowy w pozycji 5` cukru – pentozy. Wyróżnia się rybonukleotydy, zawierające pentozę – rybozę oraz dezoksyrybonukleotydy zawierające pentozę 2-dezoksyrybozę (deoksyrybozę).Nukleozydy są związkami zasady purynowej lub pirymidynowej i cukru pentozy. Oba składniki są połączone wiązaniem beta-N-glikozydowym. Ryboza lub dezoksyryboza przyłączone są do azotu N9 puryny lub N3 pirymidyny w postaci laktamowej.Z (zasada) + 5C (pięciowęglowy cukier) + P (reszta kwasu fosforowego) → nukleotydDo zasad purynowych należą: adenina, czyli 6-aminopuryna, guanina = 2-amino-6-hydroksypuryna i hipoksantyna = 6-hydroksypuryna.Do zasad pirymidynowych zalicza się: cytozynę = 2-hydroksy-6-aminopirymidyna, uracyl = 2,6-dwuhydroksypirymidyna i tyminę = 5-metylouracyl. Spotyka się też 5-metylocytozynę, a w kiełkach pszenicy 5-hydroksymetylocytozynę.Uracyl występuje w RNA (Ribonucleic Acid), a tymina w DNA (Deoxyribonucleic Acid).Zasady

W tRNA wirusów stwierdzono obecność zasad nietypowych, np. N-metylowych pochodnych 6-N-metylo- i 6-N-dwumetyloadeniny, a także nukleozydów, np. pseudourydyny. Hipoksantyna w połączeniu z pentozą tworzy nukleozyd – inozynę. Nukleozyd wywodzący się z tego związku to inozynomonofosforan IMP. Struktura DNA W oparciu o dane Erwina Chargaffa, Maurice`a Wilkinsa i Linus`a Paulinga, James Watson i Francis Crick w 1953 r. opracowali model DNA w postaci dwóch łańcuchów polinukleotydowych skręconych w podwójną spiralę = helisę w stosunku do wspólnej osi centralnej. Jak już wspomniano łańcuchy główne utworzone są z pentozy i kwasu fosforowego. Natomiast zasady są zwrócone do wnętrza spirali, niczym do cylindra utworzonego przez dwa łańcuchy. Zasady te są ułożone prostopadle do osi cylindra, jedna nad drugą i oddziałują wzajemnie na siebie za pomocą utworzonych mostków wodorowych i sił międzycząsteczkowych van der Waalsa, które stabilizują spiralna strukturę. Dwa zespolone łańcuchy mają przeciwną polarność, końcowi 5` jednego łańcucha odpowiada koniec 3` drugiego łańcucha i odwrotnie. Oba łańcuchy wzajemnie się dopełniają pod względem składu i kolejności występowania zasad. Kolejność zasad w jednym łańcuchu DNA ściśle określa ich kolejność w drugim, bowiem na przeciw adeniny musi występować tymina, a na przeciw guaniny cytozyna. Adenina jest związana z tyminą dwoma mostkami wodorowymi, a guanina z cytozyną – trzema mostkami wodorowymi. Jeżeli w DNA przeważa ilość par G-C to jest on bardziej trwały.Komplementarność dwóch łańcuchów DNA stwarza możliwość replikowania identycznych kopii cząsteczek DNA. Każdy pojedynczy łańcuch DNA zawiera pełną informację o syntezie drugiego, komplementarnego w stosunku do niego łańcucha (jest to zasada przynależności, komplementarności zasad). Replikacja DNA W 1956 r. Kornberg otrzymał z Escherichia coli enzym – nukleotydylotransferazę DNA. Enzym ten wkrótce został nazwany polimerazą Kornberga lub polimerazą DNA I. Enzym ten łączy w łańcuch nukleotydy z dużą szybkością: 1000 reszt nukleotydowych na minutę. Do jego aktywności potrzebne są jony magnezu, DNA-matryca, dATP, dGTP, dTTP i d CTP. W stosunku do matrycy enzym ten nie wykazuje specyficzności. Przy udziale polimerazy DNA I zostają odpowiednio utworzone dAMP, dGMP, dCMP i dTMP, wydzielony zostaje pirofosforan a w wyniku reakcji powstaje polinukleotyd. Aby zaszła polimeryzacja nowego DNA, matryca DNA musi mieć na swoich łańcuchach tzw. wolne końce 3`OH. Tylko do tych końców polimeraza DNA może przyłączać nowe 5`-dezoksyrybonukleotydy. Nukleotydylotransferaza przedłuża łańcuch polinukleotydowy w kierunku 5`→ 3`, umieszcza dezoksyrybonukleotydy resztą fosforanową na wolnej grupie wodorotlenowej –OH ostatniego z nich, tworząc wiązanie estrowe, wydziela się przy tym Pi (pirofosforan).Przed kopiowaniem, podwójna spirala DNA ulega rozkręceniu, a trifosforany poszczególnych dezoksyrybonukleotuydów (wymienionych wcześniej) dobudowywane są zgodnie z regułą dopełnialności (komplementarności, przynależności) zasad --- drugi łańcuch do każdego z pojedynczych łańcuchów pierwotnych. Czyli obok starego łańcucha powstaje nowy. Jest to semikonserwatywny (półzachowawczy) mechanizm replikacji DNA. Pamiętamy jednak, że polimeraza działa od końca 5` do końca 3`. Co zatem z drugą nicią? Przecież łańcuchy podwójnej helisy DNA maja przeciwna polarność.Wieloletnie badania Okazaki dowiodły, ze synteza drugiego łańcucha DNA u Eucaryota przebiega w sposób nieciągły. W procesie tym obok poznanej już polimerazy DNA uczestniczy helikaza DNA, która czerpie energię z hydrolizy ATP i przemieszcza łańcuch DNA względem kompleksu replikacyjnego. Helikaza rozrywa wiązania wodorowe istniejące między łańcuchami. Topoizomeraza rozkręca spiralę DNA. Białko destabilizujące utrzymuje oba łańcuchy w pozycji rozdzielonej. Jeden łańcuch DNA jest odtwarzany normalnie, w sposób ciągły, zgodnie z kierunkiem rozwidlenia. Drugi łańcuch odtwarzany jest odwrotnie, synteza przebiega odwrotnie do rozwidlenia, przy czym uczestniczy tu polimeraza RNA (primaza), która syntetyzuje krótkie (10-nukleotydowe) odcinki RNA – primery (startery) dla syntezy DNA. Polimeraza DNA III dobudowuje łańcuch DNA do primerów. W ten sposób powstają komplementarne do matrycy fragmenty łańcucha DNA, zwane fragmentami Okazaki. Primer zostaje następnie usunięty, a fragmenty są łączone w jednolity łańcuch DNA za pomocą ligazy DNA. Warto dodać, że replikacja DNA programowana jest zgodna z cyklem życiowym komórki i odbywa się ona w fazie S (syntezy), która przechodzi następnie w fazę G2, poprzedzającą mitozę (fazę M). W fazie G2 zachodzi reperacja uszkodzonego DNA. Replikacja DNA nieprogramowana jest natomiast niezależna od cyklu komórkowego i jej głównym celem jest naprawa uszkodzonego DNA. Uszkodzony fragment DNA jest wówczas wycinany przez endo- i egzonukleazy. Wg matrycy (drugiego łańcucha DNA), zgodnie z mechanizmem komplementarności zostaje odtworzony wycięty odcinek DNA przy udziale polimerazy. Powstały odcinek DNA jest następnie wbudowany w miejsce wycięcia przy pomocy ligazy DNA.Struktura RNA. Rybosomy.Kwasy rybonukleinowe wykazują mniejszą masę cząsteczkową niż DNA. Zlokalizowane są w jądrze i w cytoplazmie. Zamiast tyminy zawierają uracyl. RNA występuje z reguły w formie jednoniciowej struktury, jednakże u niektórych wirusów jest on dwułańcuchowy.RNA jest zróżnicowany pod względem funkcji i struktury: rRNA – rybosomalny RNA znajduje się w rybosomach w połączeniu z białkami. Stanowi około 80% komórkowego RNA. Rybosomy to organelle kuliste, wielkości 15-30 nm, mające charakter wieloenzymatycznego kompleksu. Prekursory rybosomów powstają w jąderkach jądra komórkowego. Rybosomy aktywnie uczestniczą w syntezie białek (translacja). W komórce występują pojedynczo lub tworzą zespoły. Rybosomy osadzone na matrycowym RNA noszą nazwę polisomów (=polirybosomów) i są przygotowane do translacji (tworzą aparat translacyjny). Ponadto rybosomy często dołączone są do mitochondrii, plastydów, jądra i retikulum endoplazmatycznego. Biorąc pod uwagę stałą sedymentację, rybosomy dzielimy na dwie klasy:W komórkach Eucaryota występują rybosomy o stałej sedymentacji 80 S (Svedbergów), czyli wg nowszych jednostek 8 ps (pikosekunda).W komórkach Procaryota występują rybosomy o stałej sedymentacji 70 S (7 ps).Rybosom składa się z dwóch podjednostek rybosomalnych: mniejszej i większej. W rybosomach 70-Svedbergowych podjednostka mała ma stałą sedymentacji 30 S (3 ps) a duża 50 S (5 ps). W rybosomach 80-Svedbergowych mała podjednostka wykazuje stałą sedymentację 40 S (4 ps), a duża 60 S (6 ps). Do tworzenia kompleksu dwóch podjednostek konieczne jest odpowiednie stężenie magnezu, wapnia, kobaltu i manganu w cytozolu. Np. wysokie stężenie Mg2+ prowadzi do powstania dimerów rybosomowych czyli parowania się rybosomów (łączą się w pary).rRNA zawiera więcej guaniny i cytozyny iż matrycowy kwas rybonukleinowy. tRNA – transportujący RNA (transfer RNA, soluble RNA = sRNA) występuje
w cytoplazmie podstawowej, zbudowany jest z około 75 nukleotydów tworzących pojedynczą nić, która układa się w liść koniczyny. Zatem łańcuch RNA formując liść koniczyny tworzy odcinki podwójne, powiązane zgodnie z regułą komplementarności zasad. W budowie tRNA widnieją charakterystyczne listki (banieczki) utworzone z 7 nukleotydów, a wśród nich również nukleotydów nietypowych i niesparowanych. Pierwsza pętla (banieczka, listek) zawiera dihydrourydynę DHU. Środkowa pętla zawiera antykodon, czyli 3 nukleotydy komplementarne do 3 nukleotydów kodonu w matrycowym RNA (mRNA). Trzecia pętla zawiera rybotyminę i pseudourydynę psi. Pomiędzy listkiem antykodonu a pseudourydyną jest guzek. W pobliżu końca 3` istnieje stała sekwencja pCpCpA. Do nukleotydu A przy grupie -OH3` dołączony zostaje estrowo odpowiedni aminokwas. Środkowa pętla jest miejscem wiązania kodonu mRNA. Istnieje 22 rodzaje tRNA, każdy dla określonego aminokwasu. Czynność tRNA polega na rozpoznaniu w kodzie genetycznym określonego tripletu, a następnie rozpoznaniu i związaniu odpowiedniego aminokwasu, przynależnego do tego trypletu. mRNA – matrycowy RNA (messenger RNA) został odkryty w 1961 r. przez Brennera, Jacoba i Meselsona w bakteriach infekowanych fagiem T4. Jest syntetyzowany w jądrze na matrycy DNA w procesie transkrypcji, jako hnRNA (heterogenny RNA, wielkocząsteczkowy, jądrowy). hnRNA jest 1-niciowy i owinięty na histony. W tej formie jest on przetransportowany do cytoplazmy, gdzie ulega obróbce. Dojrzały mRNA zawiera kod genetyczny, który jest odczytywany przez tRNA. W procesie translacji odczytywane sekwencje trójek nukleotydowych determinują (określają) sekwencję aminokwasów w powstających polipeptydach. Stanowi około 3% ogólnego RNA. hnRNA – heterogenny RNA – wielkocząsteczkowy, jądrowy RNA, prekursor mRNA, powstały podczas transkrypcji, zbudowany z 5000-50000 nukleotydów. Po wycięciu pętli ulega skróceniu do mRNA. Posiada liczne odcinki niekodujące, powtarzające się – introny. Po ich usunięciu pozostają nie powtarzające się i kodujące egzony, które łącznie (po scaleniu) dają informację dla syntetyzowanego białka. Sekwencja na końcu 5` w mRNA zawiera nietypowy nukleotyd 7-metylo-guanozyno-5`-trifosforan. Jest to tzw. czapeczka, potrzebna do rozpoczęcia translacji. Na drugim końcu znajduje się sekwencja poliA (poliadenylowa), która pełni rolę zegara biologicznego, obliczającego ilość wytworzonego białka.

GenyW chromosomach znajdują się geny – materialne cząstki dziedziczenia. Gen to odcinek DNA kodujący jeden polipeptyd lub jedną strukturalną cząsteczkę RNA. Średnia długość genu człowieka wynosi 2000 par zasad, a odległość między zasadami wynosi 0,34 nm; zatem średnia długość genu wynosi 7 . 102. W genomie człowieka można wyróżnić kilka rodzajów genów: 1Geny strukturalne – odcinki DNA, kodujące sekwencję i liczbę aminokwasów w polipeptydzie wg zasady: 1 gen = 1 łańcuch polipeptydowy. W genach strukturalnych występują na przemian sekwencje nukleotydowe kodujące polipeptyd – egzony, oraz sekwencje nukleotydów nie kodujące polipeptydu – introny. Transkrypcji ulegają introny i egzony, czego wynikiem jest powstanie heterogennego RNA (hnRNA). Introny ulegają wycięciu z hnRNA, a egzony są łączone przy udziale ligazy w matrycowy kwas rybonukleinowy mRNA. Geny struktury występują najczęściej w pojedynczych kopiach lub w ich niewielkiej liczbie. 2Geny regulatorowe – odcinki DNA, które nie podlegają transkrypcji, ale pełnią w stosunku do niej rolę regulacyjną. Te specyficzne odcinki DNA są rozpoznawane przez odpowiednie białka regulacyjne. 3C-onkogeny, czyli protoonkogeny – są odmianą genów struktury występujące pojedynczo lub w niewielkiej liczbie kopii. Są one homologiczne z V-onkogenami retrowirusów-RNA. Homologia C- i V-onkogenów polega na występowaniu w nich podobnych sekwencji nukleotydowych. Jednakże C-onkogeny złożone są z intronów i egzonów, natomiast V-onkogeny posiadają ciągłą sekwencję nukleotydową kodującą polipeptydy. C-onkogeny kodują białka o masie cząsteczkowej 20 000 – 200 000, o charakterze kinaz. Białka te zlokalizowane są w błonach komórkowych. C-onkogeny regulują proliferację i różnicowanie komórek; niestety także odpowiadają za nowotworzenie (onkogenezę). Nowotworowa aktywacja C-onkogenów zachodzi najczęściej w wyniku mutacji punktowej lub w skutek skrócenia C-onkogenu. Przykładem może być mutacja zastępująca parę zasad G-C na parę T-A. W efekcie zmieniony zostaje skład aminokwasowy białka, bowiem glicyna zastąpiona jest waliną. To powoduje nowotwór pęcherza moczowego. Geny rRNA i tRNA – odcinki rDNA wg których odbywa się transkrypcja rRNA i tRNA. Tutaj nie zachodzi synteza mRNA, a następnie białka (translacja), lecz powstanie odpowiedniego rRNA i tRNA. Te geny występują w genomie w wielu kopiach.                  Kod genetyczny Makrocząsteczka DNA składa się z 4 różnych nukleotydów: adenina A, guanina G, tymina T i cytozyna C. W matrycowym RNA powstałym w transkrypcji, tyminę T zastępuje uracyl U. Gen to określona sekwencja (kolejność) nukleotydów w DNA. Zatem kod genetyczny zawarty w DNA i RNA jest 4-znakowy (4-literowy). Badania Nirenberga, Matthaei, Ohoa i Khorana wykazały, że jednemu aminokwasowi w białku odpowiada trójka nukleotydów, czyli triplet. W cząsteczkach DNA i RNA możliwe są 64 triplety, zwane kodonami. Istnieje 20 różnych aminokwasów podstawowych. Kod dla białek jest więc 20-literowy. Zatem w stosunku do liczby aminokwasów istnieje nadmiar tripletów. Jednakże danemu aminokwasowi w wielu przypadkach odpowiada kilka różnych tripletów. Czyli istnieją kodony synonimowe, które najczęściej dwa pierwsze nukleotydy mają jednakowe, trzeci nukleotyd (pozycja) ulega zmianie. Zdaniem Cricka najczęściej zmienia się nukleotyd 3, rzadziej 1, a najbardziej stabilny jest 2. Spośród 64 kodonów, 3 (trzy) kodony nie wyznaczają żadnego aminokwasu i powodują przerwanie syntezy polipeptydu podczas translacji (faza terminacji). Te głuche, przerywnikowe lub inaczej nonsensowne triplety to: UAA, UAG i UGA.Kod genetyczny podlega regułom Cricka:Każdy aminokwas określony jest specyficzną sekwencją 3 zasad, czyli kodonem; kodony mają jednakową wielkość. Kod jest bezprzecinkowy, czyli nie wykazuje żadnej interpunkcji za pomocą której zagwarantowane byłoby przekazywanie informacji; innymi słowy nie istnieją specjalne znaki, które oddzielają jedną trójkę nukleotydową (kodon) od drugiej. Kod jest zdegenerowany: tzn. wbudowywanie tych samych aminokwasów do rosnącego łańcucha polipeptydowego determinowane (określane) jest różnymi kodonami – kodonami synonimowymi. Jest to system ochronny przed drobnymi mutacjami. Kod jest specyficzny – określony kodon bierze udział tylko we włączaniu jednego aminokwasu. Kod jest kolinearny – sekwencja kodonów w genie jest kolinearna z sekwencją aminokwasów w tworzonym łańcuchu polipeptydowym lub inaczej mówiąc: liniowo odpowiednia z sekwencją aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.Kierunek odczytywania kodu: odczyt DNA i mRNA następuje tylko w jednym kierunku. Uniwersalność: kod genetyczny u wszystkich organizmów jest jednakowy. Aminokwasy: metionina i tryptofan są determinowane przez pojedyncze kodony: AUG – metionina, UGG – tryptofan; brak dla nich kodonów synonimowych.

Przepływ informacji genetycznej w komórce

Informacja genetyczna jest przekazywana z pokolenia na pokolenie. Ponadto w komórce występuje mechanizm umożliwiający wykorzystanie informacji genetycznej do regulacji wszystkich procesów życiowych. Tym mechanizmem jest replikacja, mitoza, mejoza, transkrypcja i traslacja.TranskrypcjaTranskrypcja to przenoszenie, niejako przepisywanie sekwencji dezoksyrybonukleotydów DNA na rybonukleotydy mRNA, czyli sekwencję rybonukleotydową matrycowego kwasu rybonukleinowego. Dzieje się to wg reguły komplementarności zasad z udziałem polimerazy RNA. DNA jest pierwotnym (źródłowym) nosicielem informacji o białku, a mRNA – wtórnym nosicielem informacji o białku. Łańcuch mRNA odwzorcowuje się na DNA.Polimeraza RNA jest DNA zależna. Została odkryta przez Weissa w 1959 r, dlatego w niektórych publikacjach (i laboratoriach) określana jest mianem polimerazy Weissa. Katalizuje ona wbudowywanie w łańcuch trifosforanów rybonukleozydów (zaktywowanych rybonukleotydów). Uwalniany jest przy tym PP czylipirofosforan Pi. Polimeraza RNA (nukleotydylotransferaza nukleozydotrifosforanów) zbudowana jest z 5 podjednostek: 2 alfa, beta, beta prim i sigma. Wyróżnia się 3 polimerazy RNA:Polimeraza I – znajduje się w jąderku, uczestniczy w tworzeniu rybosomalnego kwasu rybonukleinowego rRNA, nie jest wrażliwa na alfa-amanitynę. Polimeraza II – transkrybuje geny struktury, jest wrażliwa na amanitynę. Występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie. Polimeraza III – występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie, uczestniczy w tworzeniu tRNA i rRNA. Polimeraza dołącza się do promotora przy węglu 3 na łańcuchu DNA. Podjednostka sigma polimerazy inicjuje transkrypcję rozpoznając promotora, czyli sekwencję startową transkrybowanego łańcucha DNA. Sekwencja terminalna, dająca sygnał polimerazie o zakończeniu transkrypcji nosi nazwę terminatora. Faza wydłużania mRNA, czyli jego tworzenia - na podstawie łańcucha DNA - nosi nazwę elongacji. W przypadku genów struktury, polimeraza II tworzy długą cząsteczkę heterogenicznego RNA (hnRNA). Łańcuch DNA jest transkrybowany łącznie z intronami. W miejscu zakończenia transkrypcji, polimeraza wprowadza do RNA 100-200 cząsteczek adeniny (poliadeniny), która jest potrzebna do dalszej obróbki hnRNA. hnRNA jest otoczona przez białka (informofery). Sekwencje odpowiadające intronom są wycinane, a fragmenty – egzony są łączone w mRNA. Introny ulegają nawinięciu na cząsteczki snRNP czyli rybonukleoproteiny.Matrycowy kwas rybonukleinowy (gotowy) jest transportowany z jądra do cytoplazmy.Aktywacja aminokwasówAminokwasy mogą się łączyć ze sobą w peptydy po uprzedniej aktywacji, która polega na wzbogaceniu w energię wolnego aminokwasu. Aktywacja odbywa się przy udziale ATP i syntetaz amino-acylo-tRNA. Każdy aminokwas ma odpowiednią syntetazę. Enzymy te posiadają dwa aktywne centra: do jednego z nich przyłącza się amino-acylo-AMP, a do drugiego – specyficzny dla każdego aminokwasu tRNA. Amino-acylo-tRNA to połączenie tRNA z odpowiednim aminokwasem wiązaniem estrowym między C3 (węglem trzecim) rybozy a grupą karboksylową –COOH aminokwasu. Transport aminokwasów do aparatu translacyjnego odbywa się przy pomocy tRNA i białek cytoszkieletu.          TranslacjaTranslacja to proces w biosyntezie białka, polegający na przetłumaczeniu (przełożeniu) sekwencji nukleotydowej matrycowego kwasu rybonukleinowego mRNA (kodu) na sekwencję aminokwasową w tworzonym białku. Proces zachodzi w cytoplazmie i wymaga obecności rybosomów, mRNA, energii (związki wysokoenergetyczne, np. ATP, GTP), aktywnych aminokwasów połączonych z tRNA oraz faktorów. Obejmuje 3 etapy: inicjację, elongację i terminację. Inicjacja – rybosomy ulegają zdysocjowaniu na dwie podjednostki rybosomalne: u Eucaryota na małą 40 S i dużą 60 S, u Procaryota 30 S i 50 S. Przy udziale jonów magnezu Mg2+ i IF 1 (faktor inicjujący 1), mRNA zostaje przyłączony do małej podjednostki rybosomalnej. Zgodnie z tezą Bretschera punktem startowym translacji jest przyłączenie zaktywowanej metioniny (AUG) – metionylo-tRNA (Met.-tRNA). Związany zostaje także GTP (guanozynotrifosforan). Energia pochodzi z ATP. Wg Bretschera mała podjednostka rybosomalna zanim zwiąże mRNA łączy się z metionylo-tRNA. Dopiero potem, przy udziale energii z ATP i IF 2-5 zostaje przyłączony mRNA. W związku z tym metionina jest niesiona na dwóch różnych tRNA przy udziale syntetazy: metionylo-tRNAFront i metionylo-tRNAMiddle. Met.-tRNA-Middle wbudowuje metioninę wewnątrz łańcucha polipeptydowego, czyli gdy aparat translacyjny jest kompletny i aminokwas ten rzeczywiście wchodzi w skład tworzonego białka. Natomiast Met.-tRNA-Front będzie zgodnie z tezą Bretschera – punktem startowym biosyntezy białka, nawet tego białka, które nie zawiera w swym składzie metioniny. Do kompleksu inicjującego przyłączeniu ulega duża podjednostka rybosomalna, co tworzy pełny aparat translacyjny (energia pochodzi z wcześniej przyłączonego GTP!). W aparacie tym można wyróżnić centrum peptydylowe P i centrum akceptorowe A. Przyłączenie dużej podjednostki wymaga obecności IF 2 oraz jonów magnezu. Pierwszy aminokwas (metionina) znajdzie się wówczas w centrum peptydylowym P, jest to jednak wyjątek, gdyż nowo przyłączone aminokwasy lokują się najpierw w centrum akceptorowym, czyli w miejscu amino-acylowym A. Gdy do centrum akceptorowego zostanie przyjęty nowy (drugi) amino-acylo-tRNA, wówczas następuje powstanie dipeptydu, wytworzenie wiązania peptydowego między grupą –COOH a grupą aminową -NH2 następnego aminokwasu. Elongacja – kolejno przyłączone aminokwasy są determinowane (określone) przez kodon w mRNA, który zgodnie z regułą komplementarności rozpoznaje antykodon tRNA, niosący aminokwas aktywny. Energia pobierana do tego procesu pochodzi z GTP: GTP → GDP (guanozynodifosforan) + Pi (pirofosforan). P Uczestniczy w tym elongation factor EF 1. Transpeptydaza przenosi acyl pierwszego aminokwasu na grupę NH2 aminokwasu umiejscowionego w centrum akceptorowym, z udziałem GTP i EF 2. Odczepieniu ulega pierwszy tRNA. Tak powstały peptyd wraz z przytrzymującym go tRNA przesuwa się do centrum peptydylowego, co jest spowodowane skurczem rybosomu i przesunięciem się matrycy - mRNA (rybosom nie przeskakuje po mRNA!). Wolny akceptor aparatu translacyjnego znów wiąże amino-acylo-tRNA odpowiedni do tripletu mRNA. Zatem elongacja to kolejne przyłączanie aminokwasów do tworzonego polipeptydu. Terminacja – w centrum A pojawia się trójka nonsensowna, np. UAA, polipeptyd w centrum P zostaje przesunięty nie uzyskawszy akceptora – aminokwasu w centrum A – ulega więc odczepieniu od aparatu translacyjnego. Przy udziale TF (termination factor) i energii z GTP następuje rozpad aparatu i uwolnienie polipeptydu. Białko wytworzone w translacji posiada strukturę I-rzędową. Obróbka potranslacyjna białka Powstałe białko w translacji ulega rozmaitym modyfikacjom. Uzyskuje w ten sposób strukturę II, III i IV-rzędową. Niektóre aminokwasy są wycinane, łańcuch polipeptydowy ulega w różnym stopniu fałdowaniu lub spiralizacji, dodawane są do niego składniki niebiałkowe (np...