Wprowadzenie DNA i białka W uproszczeniu: program działania żywego organizmu zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie białkowej. Białka: łańcuchy złożone z aminokwasów (kilkadziesiąt kilkadziesiąt tys.). Pełnią rozmaite funkcje m. in. są budulcem (np. kolagen), lecz przede wszystkim są enzymami katalizującymi (tzn. przyspieszającymi) reakcje biochemiczne. Przyroda wykorzystuje 20 standardowych aminokwasów (zawierają grupę aminową NH 2 i karboksylową COOH) Przykład. Tworzenie się wiązania peptydowego. Kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym (tzw. struktura pierwszorzędowa) decyduje o sposobie przestrzennego zwinięcia się makrocząsteczki, to zaś określa własności fizyczne i chemiczne białka. Sekwencję aminokwasów opisuje gen kodujący dane białko. 1 2
Nić DNA jest polinukleotydem. Pojedyncza cegiełka zbudowana jest z dezoksyrybozy (cukier 5 węglowy), reszty fosforanowej oraz jednej z czterech zasad azotowych: puryny: adenina (A), guanina (G) pirymidyny: tymina (T), cytozyna (C) Nici o komplementarnej sekwencji zasad łatwo łączą się w strukturę dwuniciową. Budowa pojedynczej nici. Tzw. koniec 3 (grupa OH) i koniec 5 (fosforan). Podwójna helisa. Przeciwnie skierowane nici DNA łączą się parami komplementarnymi: C i G ze sobą (3 wiązania wodorowe) oraz A i T ze sobą (2 wiązania wodorowe). Wiązania między komplementarnymi zasadami 3 4
Nić RNA często występuje pojedynczo. Budowa podobna do DNA. cukier dezoksyrybozę zastępuje ryboza tyminę zastępuje uracyl Kod genetyczny i synteza białek W genie kodującym białko kolejne aminokwasy (20 rodzajów) opisywane są za pomocą kodonów tj. trójek nukleotydowych (4 3 =64). Kod genetyczny jest nieomal identyczny w całej przyrodzie, a ew. różnice (np. geny mitochndrialne) dotyczą odmiennego znaczenia najwyżej kilku kodonów. Materiał genetyczny (dwuniciowe DNA) jest zorganizowany w tzw. chromosomy. U organizmów prokariotycznych (proste komórki bezjądrowe np. bakterie, sinice) występuje jeden kolisty chromosom zanurzony w cytoplazmie. Eukariotyczne gromadzą DNA w liniowych chromosomach odizolowanych w jądrze komórkowym. Przy rozmnażaniu płciowym genom jest diploidalny (2 pełne zestawy chromosomów: od matki i ojca). Człowiek: 23 pary chromosomów, ~7mld par zasad tj. ~2 metry DNA na komórkę! 5 6
Transkrypcja ( przepisywanie DNA RNA) enzym polimeraza RNA przyczepia się w pobliżu początku genu (kodon metioniny), wędruje po jednej z nici (tzw. nić matrycowa mogą być różne dla różnych genów) w kierunku 3 5 budując komplementarną nić RNA, gen kończy się kodonem STOP, a uwolniona nić mrna przechodzi do cytoplazmy. Replikacja DNA zachodzi przed każdym podziałem komórki, zbiór kilku współpracujących enzymów rozwija podwójną helisę, dobudowując do każdej nici drugą komplementarną, kopiowanie wzorcowych nici odbywa się zawsze w kierunku 3 5, jest to proces z korektą błędów, powstają dwie identyczne (prawie...) podwójne helisy przeznaczone dla komórek potomnych. Translacja (RNA białko) poza jądrem tzw. rybosomy przyłączają się do mrna, rybosom przesuwa się po nici (kierunek 5 3) przyłączając do powstającego białka aminokwasy odpowiadające kolejnym trójkom nukleotydowym, po odczytaniu całego genu rybosom odłącza się od nici. Utworzone białko ulega zwinięciu w cytoplazmie. Bąbel replikacyjny zakończony parą widełek replikacyjnych Ale wszystko czasem się psuje... 7 8
Mutacje (są przekazywane komórkom potomnym po podziale) synonimiczne nukleotyd został wymieniony nie zmieniając znaczenia kodonu, niesynonimiczne, nonsensowne pojawia się przedwczesny kodon Stop, przesunięcia ramki odczytu usunięcie (delecja) lub wstawienie nadmiarowego (insercja) nukleotydu. Przekłamuje resztę genu. Bardziej rozległe rearanżacje: delecje dużych fragmentów nici lub jej wstawienia (np. duplikacja genu), translokacje np. pomiędzy chromosomami, inwersje (odwrócenia) kawałka nici, itp. to nie takie proste... Niektóre organelle komórek eukariotycznych (np. mitochondria, chloroplasty) mają własną nić kolistego DNA z wewnętrznymi genami. Np. DNA mitochondrialne (dziedziczy się tylko po matce). W DNA poza genami białek mamy odcinki kodujące pewne nici RNA (np. części do rybosomów) po transkrypcji nie ulegają one translacji. Istnieje eznym odwrotnej transkryptazy przepisujący nić RNA na DNA (które może być później integrowane z genomem). Wykorzystywany przez retrowirusy, ale i niektóre transpozony zdolne do samodzielnego powielania się w jądrze komórki ( zintegrowany z genomem pasożyt). Polimeraza DNA rozpoznaje początek genu po występującej wcześniej sekwencji promotorowej (są różne). Transkrypcja kończy się (terminuje) za genem, po napotkaniu odp. sekwencji znamy je dla prokariotów. Genom często towarzyszą ich popsute kopie czyli tzw. pseudogeny (np. brak promotora). Podczas tworzenia się gamet (mejoza) homologiczne chromosomy (od matki i ojca) wymieniają się końcami (rekombinacja). Nieprecyzyjna rekombinacja może uszkodzić gen lub stworzyć jego zduplikowaną kopię. W okolicach genu występują rozmaite sekwencje regulujące (wzmacniające, osłabiające) częstość jego ekspresji (np. cząsteczki współpracujące z hormonami, białka ułatwiające lub uniemożliwiające doczepienie polimerazy RNA itp.). Nie bardzo wiadomo gdzie ich szukać... Tzw. transpozony czyli skaczące geny kodujące enzymy zdolne do ich wycinania i przenoszenia w inne miejsca chromosomów. Często wywołują duże mutacje. Prawdopodobnie pozostałość powirusowa. 9 10
Geny eukariotów zawierają fragmenty kodujące (eksony) przedzielone licznymi (niekiedy kilkadziesiąt) odcinkami niekodująymi (introny). Po transkrypcji z nici pre mrna usuwa się introny i łączy kolejne eksony (splicing). Dopiero zredagowane mrna podlega translacji. Nie wiadomo jak odróżnić w sekwencji DNA fragmenty kodujące od intronów... Oznaczenia Σ alfabet czyli skończony zbiór symboli (liter). Słowo nad alfabetem skończony ciąg liter. ε słowo puste (długości 0). Sekwencje nukleotydów można traktować jak słowa nad alfabetem czteroliterowym {G,C,A,T} dla DNA i {G,C,A,U} dla RNA. Polipeptydy są słowami nad alfabetem 20 literowym (aminokwasy). Σ * zbiór wszystkich słów nad Σ; Σ + =Σ * \{ε}. w długość słowa w Σ *. w[i] i ty symbol słowa w[i..j] podsłowo od i tej do j tej litery wv konkatenacja (złączenie) dwóch słów N, Z, Z +, R, R + zbiory liczb: naturalnych, całkowitych, całkowitych nieujemnych, rzeczywistych, rzeczywistych nieujemnych. 11