1. DNA jako materialne podłoże dziedziczności.1.1. DNA - kwas deoksyrybonukleinowy zawiera informacje o budowie białek. Białka pełnią w organizmie niezwykle ważne role: budulcową i enzymatyczną (są katalizatorami reakcji). Informacja o białkach jest więc informacją o tym jak są zbudowane komórki i jakie reakcje mogą przeprowadzać. Przed podziałem komórki powielają DNA i jest on przekazywany komórkom potomnym. DNA obecny w komórkach rozrodczych (gametach) odpowiada za przekazanie cech potomstwu. Te, oczywiste dziś, twierdzenia są wynikiem wielu lat pracy naukowców różnych dyscyplin - biologów, lekarzy, fizyków i chemików.1.2. W 1869 roku szwajcarski naukowiec Friedrich Miescher zbadał skład chemiczny jądra komórkowego. Wyodrębnił i oczyścił substancję, którą nazwał nukleiną. Ustalił, że zawiera ona białko połączone z nieznaną substancją chemiczną, bogatą w fosfor. Miescher w oryginalny sposób zdobywał materiał do badań. Jądra komórkowe otrzymywał z białych ciałek krwi, które mają duże jądro i mało cytoplazmy. Miescher wpadł na pomysł, że źródłem białych ciałek krwi mogą być zużyte szpitalne bandaże, przesączone ropą. W 1889 roku Richard Altmann rozdzielił nukleinę na białko i nieznany związek chemiczny, który nazwał kwasem nukleinowym.1.3. W 1927 roku brytyjski lekarz Fred Griffith przeprowadził doświadczenie, w którym wykazał, że organizmy mogą przekazywać sobie pewne cechy. Griffith wstrzyknął myszom żywe bakterie należące do nieszkodliwego szczepu dwoinki zapalenia płuc razem z zabitymi bakteriami ze szczepu zjadliwego (wywołującego chorobę). Myszy zachorowały. Oznaczało to, że cecha zjadliwości została przekazana pomiędzy szczepami martwych i żywych bakterii. Co więcej: nabyta cecha utrzymywała się w kolejnych pokoleniach bakterii?
1.4. Doświadczenia Griffitha powtórzył kanadyjski lekarz Oswald Avery. Avery z zespołem współpracowników udowodnił, że to właśnie kwas deoksyrybonukleinowy jest odpowiedzialny za zmianę (transformację) bakterii. W 1943 roku Avery ogłosił wyniki swoich wieloletnich prac. Transformację bakterii udało się przeprowadzić in vitro, do hodowli niezjadliwych bakterii dodawano wyciąg z bakterii zjadliwych.
Komórki bakterii zjadliwych wytwarzają otoczkę z wielocukrów, bakterie niezjadliwe nie wytwarzają otoczki. Po transformacji wyciągiem z bakterii chorobotwórczych bakterie niezjadliwe zaczęły wytwarzać otoczki i stały się zjadliwe.Avery poddawał wyciąg z bakterii zjadliwych działaniu różnych enzymów i sprawdzał, czy nadal zachowuje zdolność do transformowania. Enzymy trawiące białka (enzymy proteolityczne) nie zmieniły właściwości wyciągu - nadal następowała transformacja. Oznaczało to, że białka, wbrew temu co wówczas sądzono nie są czynnikiem transformującym, odpowiedzialnym za przekazanie informacji. Dopiero potraktowanie wyciągu enzymem rozkładającym DNA (deoksyrybonukleazą) zniszczyło zdolność do transformacji. W kolejnych doświadczeniach Avery'emu udało się wyizolować i oczyścić wielkocząsteczkowy DNA i wykazać, że tylko DNA może transformować bakterie. Był to pierwszy bezpośredni dowód na to, że DNA może zmienić informację genetyczną komórki. Wyniki prac Avery'ego, ogłoszone podczas drugiej wojny światowej, nie wzbudziły dużego zainteresowania w świecie naukowym. Powszechnie uważano, że to białka, ze względu na swoją skomplikowaną strukturę i różnorodność są odpowiedzialne za przekazywanie informacji o różnorodnych formach życia. Dopiero dziesięć lat później, w 1953 roku, James Watson i Francis Crick przedstawili model budowy DNA. Stało się wtedy jasne, że różnorodność może być zakodowana w DNA, który jest związkiem zbudowanym z "cegiełek"(nukleotydów). Kolejność ułożenia nukleotydów (sekwencja nukleotydów) w łańcuchu DNA jest informacją o budowie białka. W DNA występują tylko cztery rodzaje nukleotydów, jednak można z nich ułożyć mnóstwo różnych sekwencji, tak samo jak z kilkudziesięciu liter alfabetu można ułożyć nieskończenie wiele wyrazów.1.5. W 1931 roku, równolegle do badań Griffitha nad transformacją bakterii, Hammerling wykonał doświadczenie, które wykazało, że jądro komórkowe odpowiada za przekazywanie cech dziedzicznych. Hammerling pracował nad jednokomórkową, kilkucentymetrową, morską zielenicą z rodzaju Acetabularia. Glon ten ma duże jądro komórkowe, które udało się przenieść z komórki do komórki. Acetabularia przypomina kształtem parasol. Hammerling przeprowadzał doświadczenia, w których rozcinał roślinę na dwie części. Górna część, pozbawiona jądra komórkowego, po odcięciu obumierała. Dolna część, z jądrem komórkowym, odtwarzała cały parasol. W kolejnych doświadczeniach Hammerling odcinał komórce "parasol", a z dolnej części usuwał jądro komórkowe i wprowadzał inne jądro z gatunku, który miał inny kształt parasola. Roślina odtwarzała parasol o kształcie charakterystycznym dla gatunku, z którego pochodziło jądro komórkowe. Oznaczało to, że właśnie jądro komórkowe, a nie cytoplazma, czy inne organella, zawiera informacje o budowie i rozwoju komórki.
2. Chromatyna - sposób na zabezpieczenie informacji genetycznej. Chromatyna jest to struktura występująca w jądrze komórkowym, w komórkach eukariotycznych. Chromatynę tworzy DNA połączone z białkami zasadowymi.Podstawową jednostką chromatyny jest nukleosom. Nukleosom to dwuniciowa cząsteczka DNA owinięta wokół walca, zbudowanego z białek histonowych (histonów). Walec jest oktamerem, złożonym z ośmiu cząsteczek białek.
Tak skręcone DNA tworzy fibrylę chromatynową, jest to postać DNA podczas interfazy (części cyklu komórkowego, kiedy komórka nie ulega podziałowi). Chromatyna w jądrze komórkowym przyjmuje różne stopnie upakowania (spiralizacji). Chromatyna najściślej upakowana nazywana jest heterochromatyną. Chromatyna o nieco luźniejszej strukturze to euchromatyna. Odczyt informacji genetycznej związany jest z rozluźnieniem struktury chromatyny. Nie wystarczy samo nawinięcie na histony, by cząsteczka DNA zmieściła się w jądrze komórkowym. Niezbędna jest jej dalsza spiralizacja. Fibryle chromatynowe zwijają się w solenoidy, bardzo ciasne spirale, te z kolei tworzą pętle zwane domenami. Jeżeli komórka przygotowuje się do podziału następuje dalsza spiralizacja materiału genetycznego - powstają chromosomy. Histony, a co za tym idzie i nukleosomy, występują wyłącznie w komórkach eukariotycznych. Dlatego w komórkach prokariotycznych DNA nie tworzy chromatyny.
3. Kod genetyczny - sposób zapisu informacji o białkach. Informacja o budowie białek jest w większości przypadków zapisana w DNA (u niektórych wirusów jest zapisana w RNA). Do odczytania informacji genetycznej niezbędne jest przepisanie jej z DNA na RNA (transkrypcja). Aby tę informację "odszyfrować", czyli z języka nukleotydów przetłumaczyć ją na język aminokwasów, potrzebny jest klucz. Tym kluczem jest kod genetyczny. Pamiętaj, że kod genetyczny jest metodą zapisu informacji genetycznej! Nie można zatem mówić, że "ustala się" lub "bada się kod genetyczny" jakiegoś organizmu. Kod genetyczny został rozszyfrowany w latach 50 - tych i od tego czasu wiemy, że jest on wspólny niemal wszystkim organizmom.Aha, "bada się" lub"ustala" sekwencję nukleotydów danego organizmu.Poniższe ustalenia, dotyczące właściwości kodu genetycznego, odnosić się mogą do obu kwasów nukleinowych, ale przyjęło się odnosić je głównie do RNA.3.1. Kod genetyczny jest trójkowy, oznacza to, że trzy nukleotydy tworzą jednostkę kodującą jeden aminokwas. Taka trójka nukleotydów nazywana jest kodonem. Łatwo obliczyć, że liczba różnych kodonów wynosi 64. Jest to ilość kombinacji trzyelementowych na zbiorze czteroelementowym. Wyjaśnienie przedstawiono na rysunku nr 3.2.
Kod genetyczny nie może być jedynkowy (jeden nukleotyd kodowałby jeden aminokwas), ani dwójkowy (dwa nukleotydy kodujące jeden aminokwas), ponieważ liczba różnych kodonów, wynosząca odpowiednio: 4 i 16 nie wystarczyłaby do zakodowania dwudziestu różnych aminokwasów występujących w białkach. Teoretycznie kod genetyczny mógłby być czwórkowy, piątkowy itp., ale nie jest to potrzebne - 64 różne kodony wystarczają aż nadto do zakodowania dwudziestu aminokwasów. Kiedy w latach 50-tych rozszyfrowywano kod genetyczny, zrobiono podstawowe założenie, że kod jest co najmniej trójkowy. Udowodniono, że kod jest trójkowy. Oznacza to, że podczas ewolucji abiotycznej (nie było jeszcze żadnych form życia na Ziemi), kiedy ustalały się dopiero zależności pomiędzy białkami i kwasami nukleinowymi, "wygrał" najprostszy wariant.3.2. Kod genetyczny jest jednoznaczny - konkretna trójka nukleotydów koduje konkretny, zawsze ten sam aminokwas. Kodony dla wszystkich aminokwasów występujących w przyrodzie przedstawiono w tabeli. Kodony zapisano jako trójki nukleotydów kwasu RNA, ponieważ to właśnie RNA służy jako bezpośrednia matryca do syntezy białekRysunek nr 3.2. przedstawiający tabelę kodu genetycznego. Trójka AUG - kodująca metioninę (u organizmów eukariotycznych, zaś u organizmów prokariotycznych formylometioninę, pochodną metioniny) jest kodonem startowym dla translacji. Synteza każdego białka rozpoczyna się od tego kodonu. Trzy trójki nukleotydów UAA, UAG i UGA, nazywane odpowiednio: amber, ochre i opal nie kodują żadnego aminokwasu, dlatego określa się je jako kodony nonsensowne. Ich istnienie nie jest jednak pozbawione sensu: są wykorzystywane jako sygnał do zakończenia syntezy białek (terminacja translacji). Kodony nonsensowne nazywamy inaczej kodonami terminalnymi lub kodonami stop.3.3. Kod genetyczny jest zdegenerowany. Ten niezbyt szczęśliwy termin, zaproponowany przez Cricka oznacza, że niektóre aminokwasy są zakodowane przez więcej niż jedną trójkę nukleotydów, inaczej mówiąc kilka różnych kodonów koduje ten sam aminokwas. W oczywisty sposób wynika to z porównania ilości trójek kodujących (64 - 3 trójki nonsensowne = 61) z ilością aminokwasów do zakodowania (20). Polecenie: Wyszukaj w tabeli kodu genetycznego (rys. nr 3.2.) aminokwas, który jest kodowany przez jedną trójkę nukleotydów. Znajdź również aminokwasy kodowane przez największą liczbę kodonów.3.4. W kodzie genetycznym trójki nie nakładają się na siebie (jest niezachodzący). Kolejne kodony położone są obok siebie i nie zachodzą na siebie. Jeżeli kolejne kodony zachodziłyby na siebie informacja genetyczna zajmowałaby mniej miejsca (geny byłyby krótsze). Taki sposób kodowania wyklucza jednak możliwości, jakie daje kod niezachodzący. W kodzie niezachodzącym kodon nie jest determinowany przez kodon poprzedzający.
3.5. Kod genetyczny jest bezprzecinkowy. Nie ma żadnych "przecinków", czyli żadnych znaków zarówno fizycznych jak i chemicznych oddzielających od siebie kolejne kodony. Żaden kodon nie służy jako przecinek (trzy kodony nonsensowne służą do zakończenia syntezy białka, można powiedzieć, że są wykorzystywane jako kropka). Ta cecha kodu genetycznego pociąga za sobą bardzo poważne następstwa. Wystarczy drobna pomyłka przy przepisywaniu informacji genetycznej (np. podczas powielania DNA lub w czasie transkrypcji), polegająca na wstawieniu lub usunięciu jednego, czy dwóch nukleotydów, aby doszło do zmiany fazy odczytu (przesunięcia ramki odczytu). Ponieważ kod jest trójkowy i bezprzecinkowy można go odczytać w trzech fazach. Komórka wykorzystuje kodon startowy do ustalenia odpowiedniej fazy odczytu, czyli miejsca rozpoczęcia translacji.
Polecenie: sprawdź w tabeli kodu genetycznego jakie aminokwasy są zakodowane przez krótką sekwencję nukleotydów, przedstawioną na rysunku nr3.5. Odczytaj sekwencję w prawidłowej fazie odczytu (rys.A). Sprawdź, jakie aminokwasy są zakodowane przez tą samą sekwencję nukleotydów w innej fazie odczytu (rys.B i C). Ile faz odczytu miałby bezprzecinkowy kod czteroliterowy?3.6. Kod genetyczny jest kolinearny. Oznacza to, że kolejność ułożenia trójek kodujących (aminokwasy) w kwasie nukleinowym odpowiada kolejności ułożenia aminokwasów w białku (patrz rys. nr 3.5.).3.7. Kod genetyczny jest uniwersalny. U wszystkich organizmów żywych występuje taki sam kod genetyczny. Wszystkie wymienione cechy kodu genetycznego:
trójkowy,
jednoznaczny,
zdegenerowany,
niezachodzący,
bezprzecinkowy,
kolinearny
- dotyczą zarówno bakterii jak i człowieka. Te same trójki nukleotydów kodują te same aminokwasy u organizmów tak różnych jak pieczarka i pies. Uniwersalność kodu genetycznego umożliwiła powstanie inżynierii genetycznej. Silniejsze odmiany roślin z genami skorpiona, bakterie zmuszone do produkcji ludzkich białek - wszystko to jest możliwe dlatego, że zapis informacji o białkach jest tak samo odczytywany przez każdy żywy organizm. Uniwersalność kodu genetycznego jest w końcu także dowodem na jedność organizmów żywych, ich wspólne pochodzenie i wspólną ewolucyjną historię.
4. Mechanizm odczytywania i przekazywania informacji genetycznej.4.1. Proces odczytywania informacji genetycznej, prowadzący do powstania zakodowanego przez dany gen białka nazywa się ekspresją genu (wyrażeniem genu).Ekspresja genu składa się z kilku etapów, najistotniejsze jest oczywiście rozszyfrowanie kodu genetycznego, czyli translacja - przetłumaczenie "języka" nukleotydów na "język" aminokwasów ( synteza zakodowanego białka), zachodzące w rybosomie (łac. translatio - tłumaczenie, przeniesienie). Poniższy opis dotyczyć będzie komórek Eucaryota. Rybosomy - "maszyny" do syntezy białek są organellami komórkowymi występującymi w cytoplazmie (poza jądrem komórkowym). DNA - nośnik informacji o życiu komórki znajduje się w jądrze komórkowym, chroniony błona jądrową (tak jest u organizmów eukariotycznych, organizmy prokariotyczne - bakterie nie mają jądra, ich DNA występuje w cytoplazmie bez żadnej osłony). Jeżeli komórka ma wyprodukować jakieś białko, informacja genetyczna o tym białku musi "przewędrować" z jądra do cytoplazmy. Informacja ta jest przepisywana w jądrze komórkowym na kwas rybonukleinowy. Proces ten nazywamy transkrypcją (łac. transcriptio - przepisywanie), zaś powstającą cząsteczkę RNA - transkryptem, lub mRNA (ang. messenger RNA) - informacyjnym RNA. Transkrypt, czyli przepis na białko przechodzi przez pory w błonie jądrowej do cytoplazmy, gdzie łaczy się z rybosomem. Rybosom produkuje białko na podstawie informacji zawartej w transkrypcie.Syntezę białek można porównać do procesu gotowania. Jeżeli chcemy ugotować potrawę, korzystając z przepisu znajdującego się w cennej książce w bibliotece, nie zabieramy ze sobą książki do kuchni, bo może się zniszczyć. Przepisujemy interesujący nas fragment i gotujemy korzystając z "transkryptu", a nie z oryginału. Kiedy już powstanie potrawa, należy ją jeszcze przyprawić i podać na stół. Komórka również "przyprawia" powstające białka - po translacji białka są modyfikowane przez enzymy, proces ten określa się jako obróbkę posttranslacyjną (następującą po syntezie).Gotowe białka są transportowane w odpowiednie dla nich miejsce wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Do transportu służą kanały retikulum endoplazmatycznego (system błon białkowo-lipidowych we wnętrzu komórki eukariotycznej), do których białko musi wejść i z których musi się w odpowiednim miejscu wydostać. Krótkie sekwencje aminokwasów w białku służą jako przepustka do kanału i adres zamieszkania, pod którym białko jest ostatecznie lokowane. Tu będzie służyło komórce jako budulec, lub "robotnik" (enzym).Podsumowując proces ekspresji genu w komórce eukariotycznej obejmuje następujące główne etapy:
transkrypcja
posttranskrypcyjna obróbka pre - mRNA
wędrówka mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy
translacja
posttranslacyjna obróbka polipeptydu.
W komórce prokariotycznej brak etapu wędrówki mRNA, transkrypcja i translacja zachodzą w cytoplazmie.4.2. Transkrypcja. Przepisywanie informacji genetycznej z DNA na RNA przebiega w trzech etapach. Są to:
inicjacja transkrypcji,
elongacja transkrypcji,
terminacja transkrypcji,
czyli odpowiednio: rozpoczęcie, kontynuacja i zakończenie transkrypcji.4.2.1. Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, tylko jedna nić niesie informację genetyczną, druga stanowi jej komplementarne, "lustrzane" odbicie, niezbędne dla stabilizacji całej cząsteczki (patrz: budowa DNA). Nić zawierająca informację genetyczną nazywana jest pasmem matrycowym, druga nić, komplementarna do pasma matrycowego bywa myląco (!) nazywana pasmem kodującym. Komórka musi dokonać wyboru prawidłowego pasma. Służy do tego specjalna sekwencja promotorowa nukleotydów w paśmie matrycowym (promotor). Do sekwencji promotorowej przyłącza się enzym, katalizujący transkrypcję - polimeraza RNA zależna od DNA. Nazwa enzymu wynika z jego funkcji, którą jest tworzenie RNA - polimeru nukleotydów, na podstawie informacji zawartej w DNA.4.2.2. Rozpoczęcie transkrypcji (inicjacja transkrypcji) polega na związaniu się polimerazy z sekwencją promotorową. Polimeraza przeszukuje DNA (przesuwa się po nim, bakteryjne polimerazy robią to z prędkością ok.1000 par zasad na sekundę), kiedy natrafi na sekwencję promotorową, związuje się z nią i rozsuwa nici DNA (na odcinku kilkunastu nukleotydów). Na tym odcinku DNA chwilowo przestaje być dwuniciowe, zostaje rozplecione na dwa pasma - pasmo matrycowe i pasmo kodujące, wiązania wodorowe pomiędzy pasmami DNA zostają rozerwane.4.2.3. Elongacja transkrypcji polega na syntezie łańcucha RNA, komplementarnego do matrycowego pasma DNA. Elongacja przebiega podobnie u organizmów prokariotycznych i eukariotycznych. Niżej omówiono proces elongacji transkrypcji na przykładzie bakterii Escherichia coli.Bakteryjna polimeraza RNA składa się z dwóch części: rdzeniowej i katalitycznej. Część rdzeniowa polimerazy odpowiada za przyłączenie do DNA komplementarnego nukleotydu RNA. Zasady azotowe obecne w nukleotydach matrycowego pasma DNA łączą się nietrwałymi wiązaniami wodorowymi z zasadami azotowymi obecnymi w nukleotydach RNA. Nukleotydy RNA są dostarczane w postaci trifosforanów (ATP, GTP, CTP i UTP), energia wysokoenergetycznych wiązań jest zużywana podczas reakcji. Katalityczna część polimerazy odpowiada za powstanie wiązań (fosfodiestrowych) pomiędzy nukleotydami RNA.Polimeraza przesuwa się wzdłuż DNA, rozplatając obie nici i syntetyzując komplementarną cząsteczkę RNA. Powstająca cząsteczka RNA (transkrypt) wydłuża się i stopniowo odrywa od DNA, które wraca do poprzedniej postaci (obie nici DNA - pasmo matrycowe i pasmo kodujące łączą się ze sobą). DNA pozostaje rozplecione na krótkim odcinku, tam gdzie polimeraza dodaje nowe nukleotydy RNA.
4.2.4. Zakończenie transkrypcji (terminacja transkrypcji) następuje, gdy polimeraza dojdzie do sekwencji, która stanowi sygnał terminacji transkrypcji (sekwencję taką nazywamy terminatorem transkrypcji). Polimeraza zatrzymuje się i odczepia od DNA, powstały transkrypt odłącza się od matrycowego pasma DNA, zaś DNA wraca do dawnej postaci.Podsumowując: transkrypcji ulega odcinek DNA od promotora do terminatora transkrypcji. Odcinek taki nazywamy jednostką transkrypcji.4.2.5. W komórkach eukariotycznych mamy do czynienia jeszcze z obróbką posttranskrypcyjną ponieważ informacja genetyczna w komórkach Eucaryota ma charakter nieciągły.Geny w tych komórkach podzielone są na odcinki kodujące (egzony) niosące informację o składzie aminokwasowym białek i odcinki niekodujące (...
patricia941