Struktura i funkcja kwasów nukleinowych. Ekspresja i regulacja funkcji genów u Pro- i Eukaryota
Budowa DNA
DNA zbudowany jest z trzech podstawowych związków chemicznych:
- zasady azotowej (purynowej: adeniny lub guaniny oraz pirymidynowej: tyminy lub cytozyny)
- cukru pięciowęglowego (dezokyryboza)
- reszty kwasu fosforowego
WŁAŚCIWOŚCI DNA wg Chargraffa (1950r)
1. Stosunki ilościowe adeniny do tyminy i guaniny do cytozyny sa bliskie 1.0 dla wszystkich badanych cząsteczek DNA. Ilość reszt purynowych równa jest ilości reszt pirymidynowych.
2. Stosunek A/T i G/C jest typowy i stały dla DNA danego organizmu.
3. Jeżeli DNA zawiera większy procent par A/T to organizm jest bardziej wrażliwy na działanie promieni UV
4. Promieniowanie jonizujące wywiera efekt na DNA bogate w pary G/C
5. Zasób informacji zakodowany w DNA jest największy przy 41% par G/C. Zwiększenie i zmniejszenie procentowe zawartości tych par obniża możliwość kodowania przez DNA informacji.
DWUNICIOWA BUDOWA HELISY DNAwg Watsona i Cricka 1953 r.
• Dwa helikalne łańcuchy polinukleotydowe zwijają się dookoła wpólnej osi. Łańcuchy sa antyrównoległe – biegną w przeciwnych kierunkach.
2. Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i dezoksyrybozy na zewnątrz helisy. Płaszczyzny zasad są prostopadłe do osi helisy, a płaszczyzny pierścieni cukrów są prawie prostopadle ułożone względem zasad
3. Średnica helisy wynosi 2.0 nm.Odległość miedzysąsiednimi zasadami mierzona wzdłuż osi wynosi 0.34 nm. Zasady są skręcone względem siebie pod kątem 36º. Na całkowity skręt spirali przypada po 10 nukleotydów w każdym łańcuchu, co daje okres powtarzalności 3,4 nm.
4. Dwa łańcuchy łącza się między sobą wiązaniami wodorowymi między parami zasad (A/T, G/C)
5. Kolejność zasad w łańcuchu polinukleotydowym nie jest w żaden sposób ograniczona. Ściśle określona sekwencja zasad niesie informacja genetyczną.
Replikacja
Replikacja polega na rozwinięciu helisy DNA na krótkim odcinku i syntezie na matrycy obu nici, nici komplementarnych.
Jest to proces semikonserwatywny (półzachowawczy) co oznacza, że powstała cząsteczka zawiera jedną nić matczyną, a drugą potomną.
Powstają dwie identyczne dwuniciowe kopie pierwotnej cząsteczki wyjściowej DNA.
Przebieg replikacji u Prokaryota
l INICJACJA – rozpoczyna się w miejscu origin (ori) gdzie syntetyzowany jest odcinek RNA - starter o długości około 10 do 60 nukleotydów
l ELONGACJA – na nici o polarności 3` do 5` nowo syntetyzowany łańcuch może wydłużać się w sposób ciągły, a na nici o przeciwnej polarności w postaci fragmentów Okazaki (około 1000 – 2000 nukleotydów)
l TERMINACJA – replikacja kończy się po przejściu widełek replikacyjnych wzdłuż całej kolistej cząsteczki chromosomu przy udziale sekwencji terminacyjnych Ter E, D, A, C, B i F
Przebieg replikacji u Eukaryota
l INICJACJA - rozpoczyna się w w kilku miejscach chromosomu jednocześnie (wiele miejsc ori), w każdym z nich syntetyzowany jest odcinek RNA tzw. starter o długości około 10 nukleotydów
l ELONGACJA – synteza DNA przy udziale polimerazy zachodzi na obu niciach w sposób nieciągły ( ze względu na wiele miejsc inicjacji)
l TERMINACJA – zakończenie replikacji ma miejsce w momencie fizycznego zetknięcia się widełek podążających ku sobie z przeciwnych kierunków
Enzymy replikacji
Helikazy – rozdzielają nić DNA, rozcinają wiązania wodorowe
Białka SSB – zapobiegają zwijaniu się pojedynczych nici DNA
Topoizomerazy – rozluźniają superskręty w cząsteczce DNA, przecinają wiązania fosfodiestrowe w łańcuchu polinukleotydowym
Ligazy – łączą fragmenty DNA (fragmenty Okazaki, fragmenty po wycięciu starterów)
Polimerazy – przeprowadzają syntezę DNA
Bakteryjne polimerazy DNA
Polimeraza DNA I
Polimeraza DNA II
Polimeraza DNA III
Eukariotyczne polimerazy DNA
Polimerazy α
Polimerazy β
Polimerazy γ
Polimerazy δ
Polimerazy ε
DNA a RNA
l W RNA zamiast dezoksyrybozy występuje ryboza (posiadająca dodatkowy atom tlenu przy drugim atomie węgla)
l W RNA zamiast tyminy występuje uracyl (tworzy komplementarna parę z adeniną)
l RNA jest cząsteczką jednoniciową
l W RNA mogą występować zmodyfikowane zasady (np. dihydrourydyna, inozyna itp.)
KWAS RYBONUKLEINOWY (RNA)
mRNA - matrycowy (informacyjny) RNA
tRNA – transportujący RNA
rRNA – rybosomalny RNA
snRNA – mały jądrowy RNA
hnRNA – heterogenny RNA
Ekspresja genów - wytwarzanie produktu genu w postaci białka zakodowanego w określonej sekwencji nukleotydów
Transkrypcja - przepisywanie informacji genetycznej z DNA na mRNA
Translacja - tłumaczenie informacji genetycznej z mRNA na białko
KOD GENETYCZNY
Kod genetyczny współzależność między sekwencją zasad w DNA (lub mRNA stanowiącym jego transkrypt), a sekwencja aminokwasów w białku.
Cechy kodu genetycznego:
• Trójkowy - jeden aminokwas koduje grupa trzech zasad (kodon)
• Nienakładający się – każda grupa trzech zasad określa tylko jeden aminokwas
• Bezprzecinkowy - sekwencja zasad jest odczytywana kolejno od określonego punktu startowego
• Uniwersalny – taki sam in vivo i in vitro i dla wszystkich żywych organizmów
• Zdegenerowany (wieloznaczny) – większość aminokwasów kodowana jest przez więcej niż jeden triplet
Kodony określające ten sam aminokwas nazywamy synonomami. Większość synonimów różni się tylko trzecią zasadą tripletu. 61 kodonów określa aminokwasy, 3 nie kodują aminokwasów, lecz są rozpoznawane jako miejsca zakończenia syntezy łańcucha polipeptydowego.
Są to:
UAG - amber (N-1 rozpoznawany przez czynnik RF-1
UAA - ochre (N-2) rozpoznawany przez RF-1 i RF-2
UGA – opal (N-3) rozpoznawany przez RF-2
W mitochondriach niektórych organizmów UGA koduje tryptofan
TRANSKRYPCJA ENZYMATYCZNA POLIMERYZACJA ZAKTYWOWANYCH MONORYBONUKLEOTYDÓW, PRZEBIEGAJĄCA W UPORZĄDKOWANEJ KOEJNOŚCI, OKREŚLONEJ PRZEZ PEŁNIĄCY ROLĘ MATRYCY DNA
TRANSKRYPCJA:*inicjacja*elongacja *terminacja
Do przeprowadzenia transkrypcji konieczne są:
• Matryca - dwuniciowy lub jednoniciowy DNA
• Aktywowane prekursory: ATP, GTP, UTP, CTP
• Dwuwartościowe jony metali MG+2 i Mn+2
• Polimeraza RNA zależna od DNA
Cechy charakterystyczne transkrypcji
l Transkrypcja przebiega w kierunku 3’ 5’
l Polega na ataku grupy 3’ OH rosnącego łańcucha na fosforan nadchodzącego trójfosforanu nukleozydu
l Polimeraza nie wymaga startera
l Synteza RNA na matrycy DNA jest konserwatywna
l Polimerazy RNA nie maja właściwości nukleolitycznych
l Wszystkie rodzaje RNA są syntetyzowane przez jedną polimerazę u Prokaryota i trzy polimerazy u Eukaryota
l Nowo powstałe RNA jest komplementarne i antyrównoległe do DNA matrycowego
l Transkrypcja zachodzi tylko na jednej nici w określonym regionie genomu
ENZYMY TRANSKRYPCJI U PROKARYOTA
Proces transkrypcji zachodzi w cytoplazmie i uczestniczy w nim tylko jeden typ polimerazy RNA
-35 -10 +1
ENZYMY TRANSKRYPCJI U EUKARYOTA
l Polimeraza RNA I - w jąderku, transkrypcja
rDNA (genów kodujących rRNA)
l Polimeraza RNA II - w nukleoplazmie, transkrypcja
mRNA (pre – mRNA)
l Polimeraza RNA III – nukleoplazma, transkrypcja
pre-tRNA,5S rRNA
-75 -25 +1
TRANSLACJA
• INICJACJA
• ELONGACJA
• TERMINACJA
Rybosomy charakteryzują się specyficznymi stałymi sedymentacji
l Prokaryota - podjednostki 30S i 50S - rybosom
70S
l Eukaryota - podjednostki 40S i 60S - rybosom
80S
WPŁYW ANTYBIOTYKÓW I LEKÓW BAKTERIOBÓJCZYCH NA KWASY NUKLEINOWE
• Aktynomycyna D – hamuje replikację i transkrypcję, wiąże się silnie z dwuniciowym DNA
• Daunomycyna - hamuje replikację i transkrypcję, blokuje matrycową aktywność DNA
• Mitomycyna C - hamuje syntezę kwasów nukleinowych
• Chinolony – hamują replikację i transkrypcję, inhibitory topoizomerazy II
• Rifampycyny - hamują replikację i transkrypcję, inhibitory polimerazy RNA
• Nitrofurany - są odpowiedzialne za rozerwanie jednej lub obu nici DNA w komórkach prokariotycznych
ANTYBIOTYKI I TOKSYNY HAMUJĄCE SYNTEZĘ BIAŁKA
• Streptomycyna - hamuje wiązanie się formylometionylo- tRNA z rybosomami
• Tetracykliny - wiążą się z podjednostką 30S
• Chloramfenikol - hamuje aktywność peptydylotransferazy
• Erytromycyna – hamuje translokację tRNA z miejsca A na P
• Puromycyna - kończy przedwcześnie syntezę łańcucha polipeptydowego
• Alfa sarcyna - rozbija dużą podjednostkę rybosomów
• Rycyna - prowadzi do inaktywacji rybosomów
• Penicylina - nie działa ani na syntezę kwasów nukleinowych, ani na syntezę białka. Łączy się swoiście z enzymem bakteryjnym hamując powstawanie składników ściany komórek bakterii Gram+
Regulacja ekspresji genów
l Istnieje ścisłe powiązanie między aparatem genetycznym komórki a jej stanem czynnościowym
l Produkty kodowane przez różne geny są wytwarzane w ilościach określonych właściwościami strukturalnymi i funkcjonalnymi danej komórki
l Regulacja tego systemu odbywa się przez włączanie i wyłączanie odpowiednich genów
l Regulacja ekspresji genów dotyczy zarówno organizmów prokariotycznych jak i eukariotycznych
l W pojedynczej komórce eukariotycznej tylko około 15% genów ulega ekspresji; przy czym w różnych typach komórek aktywowane są różne geny
Regulacja ekspresji genów u Prokaryota
U Prokaryota ekspresja genów
regulowana jest na dwóch poziomach:
l TRANSKRYPCJI – przez regulację liczby tworzonych cząsteczek mRNA
...
fizjo.awf