Genetyka współczesna

Struktura materiału genetycznego-Do przechowywania i przekazywania informacji genetycznych służą makrocząsteczki kw. Nuklein i białka..Cząsteczki kwasów nukleinowych zbudowane są z 4 rodzajów nukleotydów,zaś łańcuchy polipeptydowe białek z 20 rodzajów aminokwasów.Kwasy nukleinowe niosą w sobie informacje zawarte w sekwencji.BUDOWA DNA-jest zbudowana z nukleotydów.(zw. kwasu fosforowegoV,dezoksyrybozy,i zas.azotowej)W pojedyńczej nici DNA nukleotydy połączone są ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi(cząsteczki cukru ułożone są na zmianę z resztami fosforanowymi,a zasady azotowe są odchylone od długiej cząsteczki)Cząsteczkę DNA tworzą 2nici polinukleotydowe.Są owinięte wokół siebie(zasady azotowe znajdują się wewnątrz,a łańcuch cukrowcowo-fosforanowy na zewnątrz powstałej struktury).Strukturę tę nazywamy podwójnym heliksem.Prawie całe DNA w komórce występuje jako heliks skręcony w prawoDwie nici polinukleotydowe są utrzymywane dzięki oddziaływaniom między zasadami azotowymi.Zasady tworzą komplementarne pary.Komplementarność zasad azotowych bierze się stąd,że łączące je wiązania wodorowe powstają wyłącznie między adeniną i tyminą(A-T)oraz cytozyną i guaniną(C-G)..Komplementarność zasad ma znaczenie dla kopiowania informacji genetycznej. Informacja zapisana w sekwencji nukleotydów 1 nici zawiera w sobie też informację o kolejności ułożenia w 2 nici cząsteczki. GENOM-Genomem nazywamy całość kwasu nukleinowego,zawierającego inf.genetycznąorganizmu.Kw.Nuk. wystepuje w postaci upakowanej.Wielkość genomu określa się poprzez całkowitą liczbę par nukleotydów. Zawartość DNA w genomach poszczególnych organizmow rozni się znacznie,Dna wystepuje w genomie w połaczeniu z białkami.Czasteczki Dna roznych genomow sa koliste lub ma wł.kolisteSTRUKTURA CHROMOSOMU EUKARIOTYCZNEGO-Struktury chromosomu eukariotycznego powstają przez połączenie DNA z grupą 5 białek-histonami. Podstawową jednostką jest nukleosom.Centralna,białkowa część nukleosomu zbudowana jest z 8 cząsteczek histonów wokół nich nawiniete jest DNA.Łańcuchy nukleosomów wypełniające jądro kom. tworzą kolejne struktury sa upakowane.
REPLIKACJA SEMIKONSERWATYWNA DNA-Cząsteczka DNA niesie w sobie inf.potrzebną do wiernego kopiowania swych sekwencji.Komplementarność zasad azotowych sugeruje prosty mechanizm wiernej replikacji polegający na rozpleceniu podwójnego heliksu i dobudowanie nowej nici komplementarnej.Cz. potomne sa tylko w połowie nowe, w połowie zas zbudowane za starej nici cz. macieżystej Energia potrzebna do syntezy DNA- pochodzi z rozerwania wysokoenergetycznych wiązań międzt resztami kw.fosforowego.Substratami do syntezy sa trifosforonukleotydy. Wytworzenie 1 wiązania estrowego między kw.fosforowym a deoksyrybozą w wydłużającej się nici DNA jest sprzężone z rozerwaniem 2 wiązań wysokoenergetycznych.Miejsca inicjacji replikacji-W chromosomie wyróżnione są odcinki o dł.200-300 nukleotydów,do których przyłączają się enzymy replikacyjne,a wśród nich katalizująca reakcje łączenia się nukleotydów polimeraza DNA.Miejsca te nazywają się miejscami inicjaci replikacji. Widełki replikacyjne - punkty rozdwajania się starej cz. DNA na dwie nowe-przesuwają się do miejsca inicjacji replikacji w dwie strony.Na jednej nici widełek replikacyjnych synteza łancucha polinukleotydowego jest ciągła,na drugiej odbywa się poprzez tworzenie krótkich odcinków,łaczonych potem w ciągła nić( za pomoca ligazy). Wierność procesu replikacji- W syntezie DNA bierze udział kilka wyspecjalizowanych białek.,niektóre z nich potrafią usuwać błedy powstałe w czasie replikacji(komplementarnosc+specjalne mech. Korekcyjne)
EKSPRESJA INFORMACJI GENETYCZNEJ-informację zawartą w materiale genetycznym nazywamy genotypem organizmu,zaś zespół obserwowanych cech-fenotypem.Dla informacji genetycznej droga między genotypem a fenotypem to droga między DNA a białkiem.Informacja jest dwukrotnie przekształcana.Po raz 1 gdy przepisywana jest z DNA na RNA.(transkrypcja-podlega prostej regule komplementarości zasad azotowych).Po raz 2 gdy sekw.nukleotydów jest tłumaczona na sekwencję aminokwasów cząsteczek białka.- translacja -nie daje się wyprowadzić z prostych oddziaływań chemicznych.Wymaga obecności swoistych adaptorów,które z 1 strony rozpoznają sekwencję nukleotydów,a z 2 zaś aminokwasy.Rolę adaptorów spełniają w komórce cząsteczki RNA(DNA-RNA-białko)KWASY RYBONUKLEINOWE-Nić kw.nukleinowego zbudowana jest z nukleotydów połączonych wiązaniami między fosforem a cukrem.W RNA cukrem tym jest ryboza.Zestaw zasad jest nieco inny niż w DNA.W obu występije adenina,cytozyna i guanina.Zamiast tyminy w RNA występuje uracyl(tworzy komplementarną parę z adeniną tak,jak tymina w DNA).RNA nie występuje w postaci dwuniciowego podwójnego heliksu,ale może zachodzić parowanie zasad między komplementarnymi odcinkami tej samej nici RNA.W komórce występują 3 różne rodzaje kwasów RNA różniące się wielkością,strukturą przestrzenną,funkcja.:matrycowy RNA(mRNA).przekazujący infor.z DNA na białko(z jądra do cytoplazmy) transportujący RNA(tRNA). RNA dopasowujący aminokwasy do sekwencji nukleotydów(przenosi aminokw.z cytoplazmy na rybosomy) rybosomowy RNA-(rRNA).wchodzacy obok gr białek w skład rybosomu(w obrębie któryego zachodzi synteza białek)- TRANSKRYPCJA- Przepisywanie informacji genetycznej z DNA na RNA.Parowanie się zasad azotowych-adeninie w nici DNA odpowiada uracyl w nici RNA,guaninie-cytozyna,tyminie-adenina,zaś cytozynie-guanina.Sekwencja nukleotydów w syntetyzowanej nici RNA jest określona przez sekwencję nukleotydów w nici DNA służącej jako matryca.Syntezę RNA katalizuje enzym nazywany polimerazą RNA-prowadzi ona synteze RNA tylko na jednej niciDNA,poruszając się w jednym kierunku.Raz dołączona polimeraza RNA syntetyzuje bez przerw całą nić RNA.KOD GENETYCZNY-Kod g.jest kodem trójkowym.Trójkę nukleotydów (triplet)oznaczającą aminokwas nazywa się kodonem.Kod jest niezachodzacy,bezprzecinkowy,niejednoznaczny(Oznaczenie wielu aminokwasów jest możliwe za pomocą kilku różnych trójek nukleotydów w cząsteczce mRNA) oraz uniwersalny.TRANSLACJA:.1)Rybosomy i tRNA-Rybosomy są miejscem syntezy cząsteczek białka.Są zbudowane z 2 połączonych ze sobą,dopasowanych podjednostek.TRNA to grupa cząsteczek odgrywającą kluczową rolę w tłumaczeniu infor.genetycznej z mRNA na białko.Rozpoznają one trójkę zasad i odpowiadający jej aminokwas.. W łańcuchu polinukleotydowym cząsteczki TRNA znajduje się trójka nukleotydów tworząca pary z odpowiednim kodem w MRNA.Trójkę tę nazywamy antykodem-dla poszczególnych aminokwasów istnieja tRNA rózniące się antykodonem.Enzymy łączące TRNA i aminokwasy są dopasowane do obu cząsteczek.Skutkiem ich aktywności jest połączenie TRNA i aminokwasu wiązaniem kowalencyjnym w związek nazywamy aminoacylo-tRNA.2)synteza białka –udział bierze:rybosomy,mRNA,,aminoacylo-tRNA,białka,energia.W czasie syntezy łańcucha polipeptydowego cząsteczka mRNA jest umieszczona między dwiema podjednostkami rybosomy.Synteza kolejnych wiązań łączących aminokwasy odbywa się w następujących po sobie cyklach.Cz. tRNA z doczepionymi aminokwasami(aminoacylo-tRNA) wędrują ku rybosomom i kolejno dopasowuja się na zasadzie komplementarności swoimi antykodonami do odpowiednich kodonów na mRNA.,. Kolejnym etapem cyklu jest przeniesienie fragmentu łańcuchapolipep.z TRNA(zsyntetyzowanego już w poprzednich cyklach)w na aminoacylo-TRNA.W ten sposób łańcuch wydłuża się o jeden aminokwas.Wolny tRNA odłacza się,na jego miejsce przesuwa sie tRNA z dołaczonym fragmentem łancucha,równocześnie przesuwa się mRNA—to zamyka cykl W miare napływaniai ustawiania się we właściwym miejscu obok siebie nowe cz. tRNA z aaminokwasami, tworzą się stopniowo łańcuchy polipeptydowe.Dokładność translacji określają 2 procesy:łączenie aminokwasu z tRNA i oddziaływanie między tRNA a kodem w mRNA.Podsumowanie-Informacja genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydów DNA jest przepisywana w postaci sekwencji nukleotydów mRNA (transkrypcja),a następnie tłumaczona na sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka(translacja). Przepływ informacji z mRNA do białka jest możliwy dzięki cząsteczkom tRNA rozpoznającym z jednej strony aminokwas,z drugiej zaś trójkę nukleotydów w mRNA.Synteza łańcucha polipeptydowego odbywa się w rybosomach.Bierze w niej udział mRNA oraz amonoacylo-tRNA.Strukturę przestrzenną białka określa sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym,przez oddziaływania między poszczególnymi łańcuchami bocznymi aminokwasów oraz między tymi ugrupowaniami a roztworem.Dzięki samoorganizacji,mogą powstawać niektóre białka zożone z kilku łańcuchów polipeptydowych oraz cząstki złożone z białek i kwasów nukleinowych.
GEN-jednostka inf.genet.; jednostka materiału genetycznego, która odpowiada za syntezę jednego łań.polipep;odcinek dna podlegający transkrypcji.U eukar.geny sa w chromosomach,jadrzekom.DNA mitochondriówi plastydów,u pro. W genoforze i plazmidach. GENY PODZIELONE(u eukar.)-sekwencja nukleotydów stanowiąca jeden gen nie jest ciągłym odcinkiem DNA, lecz grupą odcinków podzielonych sekwencjami niekodującym (intronami) Odcinki kodujące to eksony. Gen rozproszony może kodować łań.polipep. po usunięciu intronów, co dzieje się gdy inf.gen. znajduje się w RNA. Transkrybowany jest cały odcinek DNA, zawierający eksony i introny RNA nie opuszcza jądra, w którym obecne enzymy przecinają łączenia intron-ekson i łączą eksony. Proces ten nosi nazwę składania genów. W jego rezultacie tworzy się mRNA, zawierająca pełną informację o ułożeniu genów w kodowanym łań.polipep. W tej postaci opuszcza ona jądro do cytoplazmy gdzie staje się matrycą dla syntetyzowanych cząsteczek białka.;U prokariontów nie ma intronów i dlatego sa one niepodzielne REGULACJA EKSPRESJI GENÓW-Wszystkie komórki organizmu mają taki sam DNA. Komórki różnią się jednak między sobą, więc musi istnieć mechanizm regulujący aktywność genów w komórkach. Typowa komórka syntetyzuje około 15tys. białek. W większości są one obecne we wszystkich komórkach. Różnice pomiędzy komórkami wynikają z obecności białek kodowanych przez specyficzne dla danego typu komórki geny aktywne. W większości wypadków decyzja o ekspresji genu podejmowana jest przed rozpoczęciem transkrypcji. Jeżeli produkt białkowy genu nie jest potrzebny w komórce, gen ten po prostu nie jest transkrybowany. PROMOTORY-podstawowym warunkiem transkrypcji genu jest przyłączenie polim. RNA w takim miejscu, aby mogła ona rozpocząć syntezę RNA od pierwszych nukleotydów tego genu. Miejsce to jest rozpoznawane dzięki promotorom. Sekwencja nukleotydów tworzące promotor zapewniają rozpoznanie tego miejsca przez polim. RNA i ułatwiają rozplecenie podwójnego heliksu. Promotor jest zwykle na obszarze kilkunastu nukleotydów przed punktem rozpoczęcia transkrypcji. W niektórych wypadkach znajduje się wewnątrz genu.
Ekspresja-podsumowanie inf. Genetycznej polega na precyzyjnej regulacji jest procesem energochłonnym np.u jednokom.operon, u wielokom.przejawem regulacji ekspresji informacji genetycznej jest róznicowanie się komórek dzieki któremu rózne komórki jednego organizmu produkują rózne białka mimo ,że wszystkie posiadaja ten sam kompletny materiał genetyczny.W regulacji funkcji genów eukariotycznych dużą role odgrywa org. Materiału genetycznego.Nawinięcie DNA na oktametry histonowe oraz zwarte ułożenie fibrylli chromatynowej w chromosomie blokują dostęp polimerazy RNA do poszczegolnych genów a więc istotne jest rozluznienie zwartej struktury chromosomu bowiem udostępnia odcinki DNA zawierajace potrzebne w danej chwili geny.U org. Eukariotycznych mech. Ekspresji genow jest złożony opiera się na roznych odzialywaniach Dna z białkami powodującymi albo pobudzanie ekspresji genów albo hamowanie.OPERON LAKTOZOWY-układ regulacyjny działający u bakterii. Mechanizm, według którego działa operon i inne takie układy regulujące jest dostosowany do zmiennego środowiska, w jakim żyją bakterie i eukarionty. Układ reg. operonu laktozowego pozwala umożliwia utrzymanie niskiego stężenia enzymów metabolizujących laktozę w warunkach jej niedostatku, ale także szybkie jej wytwarzanie podczas obecności substratów. Wydajne działanie operonu laktozowego związane jest ze szczególną właściwością transkrypcji bakteryjnej. W przeciwieństwie do eukariontów pojedyncza cząsteczka bakteryjnego mRNA zawiera informację z kilku leżących obok siebie genów. Operon to grupa genów kontrolowanych przez wspólny system regulacyjny. Geny te mają wspólny promotor i są transkrybowane w postaci pojedynczej cząsteczki mRNA. W skład systemu regulacyjnego wchodzi także gen regulatorowy kodujący białko nazywane represorem, które łączy się wybiórczo z odcinkiem DNA nazywanym operatorem. Dołączenie represora do operatora uniemożliwia przyłączenie polim. RNA do promotora. Zdolność łączenia się operatora z represorem jest zmieniana przez drobnocząsteczkowe związki chemiczne. W operonie laktozowym takie zmiany powoduje nieznacznie zmieniona cząsteczka laktozy. Łączy się ona z białkiem represora obniżając jego zdolność do wiązania z operatorem. Dzięki temu nie jest blokowane dołączenie polim. RNA do promotora. Represor jest wytwarzany w komórce bakterii ciągle. Przy braku laktozy uniemożliwia przyłączanie się polim. i rozpoczęcie transkrypcji. Pojawienie się laktozy w środowisku zmienia strukturę cząsteczek represora i umożliwia syntezę mRNA, a tym samym syntezę enzymów rozkładających laktozę. Ten prosty system polega na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. ROZPOZNAWANIE SEKWENCJI NUKLEOTYDÓW W DNA PRZEZ BIAŁKA-Białko łączy się tylko z tym odcinkiem DNA, który ma określoną sekwencję nukleotydów. Mamy 3 rodzaje ugrupowań. Mogących tworzyć wiązania wodorowe: O, NH2, azot pierścienia purynowego. Układ tych grup jest inny dla każdej kombinacji leżących naprzeciwko siebie nukleotydów. Dlatego każda para nukleotydów może być dopasowana do jednego wzoru łańcuchów bocznych aminokwasów białka cząsteczki białka. Białka regulujące transkrypcję rozpoznają sekwencję nukleotydów o długości około 20-30 nukleotydów. Liczba wiązań wodorowych pozwala na bardzo wyraźne rozróżnienie między sekwencją rozpoznawaną a jakąkolwiek inną. Wiązanie cząsteczki białkowego represora do swoistej dla niego sekwencji nukleotydów DNA jest milion razy silniejsze od wiązania do sekwencji przypadkowej. REGULACJA TRANSKRYPCJI PRZEZ ODDZIAŁYWANIE BIAŁKO-DNA-Regulacja transkrypcji przez białka odbywa się dzięki dwóm mechanizmom. Regulacja negatywna polega na dołączeniu cząsteczki białka regulatorowego w sąsiedztwie promotora w ten sposób, że uniemożliwia ono dołączenie polim. RNA i rozpoczęcie transkrypcji. Regulacja pozytywna wymaga obecności białka reg. w celu rozpoznania promotora przez polim. RNA.REGULACJA EKSPRESJI PRZEZ ZMIANY STRUKTURY CHROMOSOMÓW EUKAR.-W kom.eukar. działa mechanizm regulacji ekspresji genów polegający na łączeniu się białek regulatorowych z odcinkami DNA określonej sekwencji nukleotydów. Mechanizm ten jest podobny do działanie operonu laktozowego. W komórkach eukar. jest dodatkowy mechanizm regulujący aktywność genów. Jest to kilkupoziomowa struktura chromosomu eukar. której najniższy szczebel stanowią nukleosomy. DNA tego chromosomu jest upakowany w sposób utrudniający oddziaływanie z białkami. Transkrypcja genów eukar. wymaga rozluźnienia DNA. Rozluźnienie struktury genów aktywnych ma charakter lokalny, choć nie ogranicza się do pojedynczych genów. Regulacja ta odbywa się dwuetapowo. Najpierw rozluźnia się struktura chromosomu w danym rejonie, a potem aktywuje się konkretny gen. Aktywacja ta polega na oddziaływaniu białek z DNA. RÓŻNICOWANIE SIĘ KOMÓREK-wszystkie komórki organizmu eukar. pochodzą od pojedynczej komórki jajowej. Genotyp tych komórek jest identyczny. Różnicowanie polega na tym, że niektóre geny aktywują się przyszłych komórkach wątroby, a inne np. w komórkach nerwowych. Różnicowanie jest związane tylko z niewielką liczbą genów: większość aktywnych genów jest we wszystkich komórkach taka sama. Mimo to geny zmieniające swą aktywność w czasie różnicowania nie są regulowane indywidualnie. Istnieją geny kontrolujące ekspresję całych grup innych genów. Skutki oddziaływania genów kontrolujących są łatwo zauważalne.