Geny i działania na nich

Transkrypt

1 Metody bioinformatyki Geny i działania na nich prof. dr hab. Jan Mulawka

2 Trzy królestwa w biologii Prokaryota organizmy, których komórki nie zawierają jądra, np. bakterie Eukaryota - organizmy, których komórki zawierają jądro Archea bakterie żyjące w ekstremalnych warunkach (ciśnienie, temperatura). Nie mają jądra ale przypominają Eukarioty (ekson, intron)

3 Centralny dogmat biologii molekularnej DNA ----> RNA ----> białko Przejście od DNA do RNA ---- transkrypcja Przejście od RNA do białka ---- translacja Białka biorą udział w wielu procesach: enzymy, składniki budulcowe, innych procesów regulatory

4 Pojęcie genu Gen to minimalny fragment nici DNA zawierający informację odpowiedzialną za działanie każdej niezależnej funkcji w organizmie Gen to taki fragment ciągu nukleotydów DNA, który jest niezbędny do syntezy funkcjonalnego polipeptydu lub cząsteczki RNA Oprócz niezbędnej informacji kodującej ciąg aminokwasów w białku lub funkcjonalne RNA (trna lub rrna) geny zawierają jeszcze inne ciągi nukleotydów DNA, które są niezbędne do przeprowadzenia transkrypcji

5 Pojęcie chromosomu Chromosom jest to cząsteczka DNA zawarta w komórce (spójny kawałek) Otaczają tę cząsteczkę białka odpowiedzialne za ekspresję genów Liczba różnych chromosomów oraz ich wielkość są specyficzne dla każdego gatunku Prokariota jeden chromosom Eukariota wiele chromosomów. Zawarte są one w jądrach. Są one liniowymi podwójnymi nićmi DNA

6 DNA w chromosomach jest bardzo mocno skondensowane Kolisty chromosom DNA E. coli po rozpleceniu dł. ok. 1.4 mm, mieści się w komórce o dł. ok mm i średnicy 0.001mm Ludzki łączna długość ok. 2 m mieści się w jądrze komórki o średnicy mm

7 Przykładowe liczby chromosomów (liczby haploidalne) Człowiek 23 Rezus 21 Muszka owocowa 4 Pies 39 Kot 19 Koń 32 Karp 52 Cebula 8

8 Pojęcie genomu Genom jest to całkowity DNA zawarty w chromosomach danego gatunku Haploidalny genom podaje się sekwencje połowy chromosomów dla określenia całego genomu, ponieważ chromosomy eukariotów występują zwykle w homologicznych parach

9 Przykładowe rozmiary haploidalnych genomów Człowiek kbp Kukurydza kbp Wiroid 0.38 kbp Wirus 50 kbp Escherichia coli kbp Dróżdż kbp Nicień kbp Muszka owocowa kbp Kurczak kbp

10 Poznawanie właściwości genomów W genomach eukariotów większość DNA nie ma poznanego funkcyjnego znaczenia Nie koduje białek ani RNA (jest to tzw. junk DNA) - ciemna materia Szacuje się, że 90 % genomu człowieka nie ma funkcyjnego znaczenia Nie wiadomo jeszcze, jaka jest rola tej części DNA

11 Podstawowe działania na genach Replikacja Transkrypcja Translacja Odwrotna transkrypcja

12 Replikacja DNA Proces pozwalający przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do komórek potomnych w sposób prawie doskonały Wysoka skuteczność jest możliwa dzięki mechanizmom ochronnym zdolnym do wykrywania i naprawy uszkodzeń powstałych w wyniku replikacji Błędy pojawiają się 1 raz na prawidłowo łączonych nukleotydów

13 Replikacja DNA

14 Fazy replikacji DNA inicjalizacja, wydłużanie, terminacja miejsce inicjacji origin, ma długości ok par nukleotydów Aby proces prawidłowo przebiegł: matryca DNA musi zostać dokładnie odczytana dostępna musi być odpowiednia ilość wolnych nukleotydów podczas procesu musi zostać zachowana komplementarność nici

15

16

17

18 Biosynteza białka to proces doprowadzający do wytworzenia w pełni funkcjonalnych cząsteczek białek Synteza białka jest procesem wieloetapowym, na który składają się w większości komórek: transkrypcja - przepisanie informacji z DNA na RNA translacja - odkodowanie informacji zawartej w RNA i na tej podstawie utworzenie łańcucha polipeptydowego ukształtowanie struktury drugo- i trzeciorzędowej, czyli odpowiednie zwinięcie się łańcucha aminokwasów potranslacyjna modyfikacja cząsteczki białkowej (etap nie zawsze obecny)

19 Transkrypcja genów prokariotycznych Geny odpowiedzialne za jeden cel metaboliczny (np. synteza aminokwasu) leżą obok siebie (na chromosomie) i ich transkrypcja jest wspólnie regulowana Taki fragment nazywa się operonem. Transkrypcja przebiega według zwykłej zasady syntezy. Powstaje mrna (messanger RNA lub informacyjne RNA). Jest to RNA zawierający wszystkie instrukcje potrzebne do syntezy białka

20 Transkrypcja transkrypcja polega na przepisaniu informacji genetycznej z kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) na kwas rybonukleinowy (RNA).

21

22

23

24

25

26 Transkrypcja genów eukariotycznych U eukariontów geny są w kawałkach" poprzedzielanych niekodującymi fragmentami (intronami) Kodujące części (eksony) oraz introny są początkowo kopiowane na pre-mrna, które jest dualną kopią DNA (z zamianą T na U) Następnie dzięki procesowi wycinania intronów i sklejania pozostałych eksonów (splicing) powstaje ostateczne mrna

27

28 Operacja translacji

29 Kod genetyczny Każdemu aminokwasowi odpowiada sekwencja trzech nukleotydów (kodon), która go koduje Często więcej niż jedna sekwencja koduje ten sam aminokwas, np. leucyna ma 6 kodonów

30 Właściwości kodu genetycznego 1 Trzy nukleotydy kodują jeden aminokwas Kod jest jednoznaczny czyli jeden kodon koduje ściśle określony aminokwas Kod jest zdegradowany tzn. jeden aminokwas może być kodowany na kilka kodonów (spośród 64 kodonów, 61 koduje różne aminokwasy, zaś 3 kodony stanowią sygnał do zakończenia syntezy białka)

31 Właściwości kodu genetycznego 2 Kodon AUG (metionina) koduje początek polipeptydu Są trzy kodony stopu (nie kodują żadnego aminokwasu): UAA, UGA, UAG Tak więc łącznie 61 kodonów reprezentuje 20 aminokwasów Ciąg nukleotydów (RNA) wyznacza pewien ciąg aminokwasów W zależności gdzie zaczniemy czytać, możemy dostać trzy różne ciągi aminokwasów Ramka odczytu to ciąg nukleotydów nie przerwany kodonem stopu

32 Właściwości kodu genetycznego 3 Kod jest uniwersalny, tzn. wspólny dla priokariota i eukariota (w tym wypadku występują pewne odstępstwa) Kod jest niezachodzący kolejne trójki nukleotydów stanowią kolejne kodony Kod jest bezprzecinkowy kolejne kodony nie są oddzielone od siebie nukleotydami niekodującymi

33

34

35 Cząsteczki RNA w translacji Jest to proces przetwarzania zakodowanej (przy pomocy kodonów) informacji w cząsteczce mrna na białko Biorą w nim udział następujące kwasy rybonukleinowe: 1.mRNA (informacyjne RNA) zawiera zakodowaną informację o białku 2. rrna (rybosomowe RNA); rybosomy są kompleksami składającymi się z wielu podjednostek białkowych i rrna. Przeprowadzają one właściwą syntezę białek

36 3. trna, transportujący RNA (transfer RNA) Długość: nukleotydów Ustala odpowiedniość pomiędzy aminokwasem i kodonem Łączenie pustego trna z odpowiadającym aminokwasem jest regulowane przez enzym. Powyższa odpowiedniość jest osiągnięta poprzez tzw. antykodon czyli kodon komplementarny Są różne trna dla różnych aminokwasów. Bakterie mają około różnych rodzajów trna, zwierzęta i rośliny około 50

37

38 Proces translacja

39 Proces translacji 1. (Faza inicjacji) trna niosący metioninę, wraz z innymi białkami (inicjującymi) i z mniejszą częścią rybosomu (rybosom składa się z dwóch nierównych części)łączą się z mrna w pozycji start (AUG). Wówczas dołącza się większa część rybosomu.

40 2. (Faza wydłużania) Zostaje pobrany następny trna, którego antykodon pasuje do kolejnego kodonu w ciągu mrna. Polipeptyd wyprodukowany dotąd `wisi' przy poprzednim trna. Nowy aminokwas zostaje dołączony do polipeptydu (na końcu karboksylowym) i większy polipeptyd `wisi teraz przy ostatnim trna. Poprzednie trna (puste) zostaje wydalone z rybosomu. Wydłużanie polipeptydu jest przeprowadzane od końca aminowego (N) w kierunku końca karboksylowego (C). Następnie rybosom przesuwa się o kolejne trzy pozycje wzdłuż mrna ( w kierunku od 5' do 3').

41

42 3. (Terminacja) Po napotkaniu przez rybosom kodonu stopu następuje uwolnienie zbudowanego polipeptydu, uwolnienie ostatniego pustego trna i odłączenie rybosomu od mrna. Kilka rybosomów (po kolei) może pracować w tym samym czasie na jednym mrna. Prędkość budowania polipeptydu przez rybosom to 3-5 aminokwasów na sekundę. Zatem białko o aminokwasach jest produkowane przez ok. 1 minutę. Duże białka (np. titina, aminokwasów) są budowane przez 2-3 godziny.

43 syntetyzowane białko podlega następnie dalszym przemianom przyjmując odpowiednią strukturę i pozostaje białkiem wewnątrzkomórkowym (wędruje do aparatu Golgiego, wiąże się z siateczką cytoplazmatyczną) lub wydzielane jest na zewnątrz komórki Niezbędna do syntezy wiązań peptydowych białek energia czerpana jest z wiązań wysokoenergetycznych w cząsteczkach ATP. Proces biosyntezy białek może zachodzić też w zawierających DNA mitochondriach i plastydach

44 Operacja odwrotnej transkrypcji

45

46 Działania na genach w biologii molekularnej