DNA jest związkiem chemicznym o stosunkowo prostej bud. Kwas dezoksyrybonukleinowy pochodzący z różnych źródeł zawsze składa się z 4 rodzajów nukleotydów. Nukleotydy są zaś czymś w rodzaju podstawowych cegiełek budujących wszystkie kwasy nukleinowe. Każdy nukleotyd zbudowany jest z 3 składników: zasada azotowa, cukier dezoksyryboza, reszta fosforanowa. Poszczególne nukleotydy DNA mogą się łączyć ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi poprzez cukier i reszty kwasu fosforowego. Pozwala to na tworzenie długich łańcuchów polinukleotydowych, które nie są nigdzie rozgałęzione. występowanie: główny magazyn dna - jądro komórkowe, gdzie buduje chromosomy; w niewielkich ilościach w mitochondrium i chloroplastach. Rola: dna jest informacją genetyczną każdej kom. organizmu, dzięki której odbywa się dziedziczenie (wyjątek - wirusy rna)
RNA - jeden łańcuch polinukleotydowy, budują go rybonukleotydy, które składają się z zasady azotowej, cukru rybozy i reszty fosforanowej. 3 pierwsze zasady są takie same jak w dna a zamiast tyminy jest uracyl. Rodzaje rna: rRNA rybosomowy kwas nukleinowy, buduje rybosomy w połączeniu z białkami i na nich odbywa się synteza białka - proces translacji. mRNA matrycowy, informacyjny kwas nuklein. ; powstaje w jądrze komórkowym obok jednego z łańcuchów kwasu dna który jest matrycą do jego tworzenia. Powstaje w procesie transkrypcji, jest kopią łańcuch dna, jego rolą jest przenoszenie informacji przepisanej z dna na rybosomy (do miejsc synt. białka) tRNA transportowy lub s, rozpuszczalny; powstaje w jądrze kom., jest najkrótszym ze wszystkich kwasów nukleinowych, łańcuch ma od 70 do 90 nukleotydów i przyjmuje strukturę wtórną w kształcie liścia koniczyny z charakterystycznymi pętlami. rola: przyłącza w cytoplazmie określony aminokwas i transportuje go na rybosomy gdzie zachodzi biosynteza białka.
W cyklu życiowym komórki wyróżniamy: interfazę (okres międzypodziałowy) i mitozę (okres podziałowy). W interfazie wyróż. 3 etapy (G1,G2,G3). W fazie S następuje replikacja czyli podwojenie ilości dna w jądrze komórki przed jej podziałem (replikacja to proces samo powielania kwasu dna). Wyróżniamy 3 rodzaje replikacji ale najbardziej prawdopodobna jest replikacja 1 - samikonserwatywna czyli półzachowawcza. W jej wynikupowstają z 1 cząst. macierzystej dna 2 cząst. potomne, każda z nich ma jeden łańcuch stary a 2 nowo wybudowany. Replikacja konserwatywna - spirala dna się nie rozkręca, powst. 2 potomne z których jeden składa się z łańcuchów zupełnie starych a 2 z zupełnie nowych. 3 replikacja - przypadkowa - łańcuchy dna fragmentują i mają na zmianę w cząsteczkach potomnych łańcuchy stare i nowe. Semikonserwatywna replikacja - następuje rozerwanie wiązań wodorowych między 2 komplementarnymi łańcuchami DNA; rozkręcanie się spirali dna i utworzenie widełek replikacyjnych; synteza nowego łańcuch wzdłuż każdego starego przez kolejne dołączanie pojedynczych trifosfonukleotydów; na obu łańcuchach starych dobudowywanie nowych odbywa nowych odbywa się w tym samym kierunku od końca 5' do końca 3' i rozpoczyna się od określonego miejsca a proces rozpoczęcia nazywa się inicjacją replikacji. syntetyzowanie łańcuchów nowych odbywa się przy udziale energii, której dostarcza ATP oraz przy udziale specjalnych enzymów, są to polimerazy dna. Ponieważ łańcuchy w cząsteczce dna są przeciwne polarnie wobec tego tylko na jednym z nich odbywa się zgodnie z kierunkiem replikacji 5'-3'(synteza ciągła). Na 2 nici synt. odbywa się w sposób nieciągły przez syntezę krótkich, kolejnych odcinków w kierunku przeciwnym w miarę odsłaniania się matrycy. Te krótkie odcinki nazwano fragmentami Okazaki od nazwiska odkrywcy. Te krótkie fragmenty przy pomocy enzymów - ligaz są łączone w jeden łańcuch. Liczba błędów w replikacji jest bardzo mała w ilości ok. 1 na 109 dołączonych nukleotydów w nowej nici. Wszystkie żywe organizmy są wyposażone w specjalny aparat enzymatyczny który reperuje uszkodzenia. Błędy są wycinane i dobudowywane właściwe. Znaczenie: w jej wyniku powstaję 2 identyczne cząsteczki dna więc każda komórka potomna powstała w procesie mitozy otrzymuje taką samą informację genet. jaką miała kom. macierzysta.
Kod genet. Dla większości organizmów informacją genet. jest kwas dna. U niektórych wirusów np. hiv informacją jest kwas rna. Mają one specjalny enzym - odwrotną transkryptazę dzięki której możliwa jest odwrotna transkrypcja - przep. inf. z rna na dna. W sekwencji nukleotydów, które są liniowo ułożone w dna zapisana jest kolejność aminokwasów w tworzonym w komórce łańcuchu polipeptydowym. DNA jest więc kodem genetycznym który szyfruje kolejność aminok. w białku. Cechy kodu: kod jest trójkowy tzn. że jeden aminokwas jest kodowany przez trójkę nukleotydów dna z 4 możliwych występujących w dna. Tę trójkę zasad nazywamy tripletem albo kodonem. Aminokwasów w białkach jest 20 - 64 kody dla aminokw. Spośród tych 64 trójek wyjaśniono znaczenie 61 i są to tzw. trójki sensowne czyli kodujące określone aminokwasy. 3 pozostałe nie szyfrują żadnych amin. - trójki nonsens, stop albo terminatory, one kończą syntezę białka w komórce. Kod jest uniwersalny - bez względu na rodzaj organizmu jego budowa i mechanizm działania są jednakowe dla wszystkich - dowód jedności świata organicznego i wspólnego pochodzenia życia na ziemi. Kod jest zdegenerowany. Ponieważ jest nadmiar kodomów do liczby aminokwasów wykazano, że aminokwas może być wyznaczany przez kilka różnych trójek. (tryptofan - 1 triplet; alginina - 6 kodomów; lizyna - 2 triplety). Kod jest nie zachodzący na siebie tzn. że jeden nukleotyd może być składnikiem tylko jednego kodonu bo gdyby był zachodzący to mógłby być składnikiem 3. Jeżeli jest niezachodzący to jest też bezprzecinkowy, nie istnieją nukleotydy oddzielające poszczególne kodony. Kod jest kolinearny - tzn. że aminokwasy łączone są w ściśle określonej kolejności - w takiej w jakiej ułożone są kodony w dna. Kolejności nukleotydów odpowiada kolejność aminokwasów w białku. Kod jest jednoznaczny tzn. dany kodon koduje tylko jeden rodzaj aminokwasu. Gen jest to odcinek łańcuch DNA zawierający infor. o składzie aminokwasowym określonego łańcuch polipeptydowego. U bakterii geny są ciągłymi odcinkami kwasu dna natomiast u eucariota większość genów występuje w postaci podzielonej. Gen jest nieciągłym odcinkiem, zawiera 2 rodzaje sekwencji: kodujące (eksony) i nie kodujące (introny). Po przepisaniu informacji introny są wycinane a eksony są łączone i proces ten nazywamy składaniem genów.
Transkrypcja - zachodzi w jądrze kom. i polega na przepisaniu inf. z matrycy dna na rrna. Podwójna spirala dna częściowo rozkręca się i na jednym łańcuchu syntetyzowana jest ni c kwasu rrna zgodnie z regułą dopełnialności zasad. Adenina tworzy parę z uracylem w miejscu tyminy a guanina paruje z cytozyną. Przepisywanie odbywa się w kierunku od końca 5' do 3' od specjalnego miejsca zwanego promotorem. Promotor to odcinek dna ok. 200 nukleotydów z sekwencją zasad TA-TA, CG i AT. Do tego miejsca przyłącza się enzym polimeraza rnazalezna od DNA. To przyłączenie inicjuje proces transkrypcji po czym następuje erongacja łańcucha rrna. Tylko jeden łańcuch dna jest matrycą do syntezy. Ponieważ w dna znajdują się eksony i introny w trakcie przepisywania przepisywane są wszystkie i jako 1 powstaje kwas niedojrzały mRNA. Aby rrna był zdolny do translacji musi przejść okres dojrzewania. Przy udziale enzymów wycinane są odcinki niekodujące a kodujące łączone są razem i powstaje dojrzały kwas mRNA. Powstały dojrzały mRNA przechodzi z jądra do cytoplazmy i łączy się z rybosomami z mniejszą jednostką rybosomów.
Translacja - tłumaczenie na rybosomach kodów przyniesionych przez mRNA na kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Translacja składa się z podetapów. Pierwsze 2 przebiegają w cytoplazmie i polegają na uaktywnieniu aminokwasu, który ma być doniesiony na rybosom. Aktywny amin. łączy się z odpowiednim tRNA przy udziale specjalnego enzymu i powstaje aminoacylo tRNA. Po powstaniu może się wtedy rozpocząć na rybosomach synteza łańcucha polipeptydowego. Proces syntezy musi być najpierw zainicjowany czyli rozpoczęty. Na rybosomie są 2 miejsca przyłączenia tRNA. Jedno określone jako P-peptydowe i 2 jako A-aminoacylowe. Proces się rozpoczyna gdy od miejsca P w którym akurat znajduje się kodon AUG kodujący metiolinę podłączy się tRNA niosący metiolinę tRNa z metioliną podłącza się w miejscu P ponieważ jego antykodon jest komplementarny do kodonu w miejscu P. Zasada czytania: Antykodon tRNA musi być komplementarny do kodonu na mRNA. || Do wolnego miejsca A na rybosomie przyłącza się inny tRNA z aminokwasem ale taki którego antykodon będzie znów komplementarny. Między metioliną a aminokwasem tworzy się wiązanie peptydowe. Następuje skurczrybosomu i tRNA też wychodzi poza rybosom. tRNA z miejsca A przesuwa się do miejsca P. Miejsce A pozostaje znów wolne i znów przyłącza się do niego tRNA z aminokwasem. Proces ten powtarza się i trwa do momentu gdy na miejscu A znajdzie się jedna z trójek stop. Wtedy synteza łańcucha polipeptydowego zostaje zakończona. Połączone ze sobą aminokwasy wiązaniami peptydowymi to pierwszorzędna struktura. Następnie łańcuch odłącza się od rybosomów i przechodzi do cytoplazmy podobnie jak mRNA, które zostało już odczytane i łańcuch aminokwasów przyjmuje strukturę trzeciorzędową - strukturę biologicznie czynną. Biłko może być budulcem struktur budulcowych albo mogą być z niego budowane enzymy i hormony, które regulują procesy metaboliczne.
Mechanizm włączania (aktywowania) genów i ich wyłączania został opracowany w oparciu o badania nad bakteriami. Cały system regulacji składa się z 5 genów. 3 geny to geny struktury, które są odpowiedzialne za syntezę białka enzymatycznego. 2 geny to geny regulacyjne. W pewnej odległości od genów struktury oddalony jest gen regulator natomiast obok genów struktury położony jest gen operator. Aktywność genów struktury, które determinują białko powstające w komórce zależy od stanu w którym znajduje się przylegający do nich gen operator. Gen operator może być włączony lub wył. Te 2 stany zależą od działania genu regulatora. Gen reg. produkuje substancję zwaną represorem, która łączy się z operatorem i uniemożliwia działanie sprzężonych z nim genów struktury. Gen operator włącza lub wył. pracę genów struktury w odpowiedzi na substancję represorową. Geny struktury kierują syntezą białka przez wytwarzanie mRNA. Transkrypcja zachodzi w genach struktury tylko wtedy gdy gen operator nie jest związany z represorem.
Mechanizm włączania (indukcji) genów i uruchamiania syntezy białek opracowali Jacob i Monad w 1963 r na przykładzie bakterii coli. Włączanie genów wyjaśniono na podstawie operonu laktozowego. Bakteria hodowana na pożywce zawierającej cukier glukozę sama sobie syntetyzuje potrzebne jej białko. Jeżeli przeniesiemy tę bakterię na pożywkę zawierającą laktozę to zaraz w jej komórkach produkowane są enzymy, które rozkładają 2cukier - laktozę na cukry proste - fruktozę i galaktozę. 1 przypadek: induktor nieobecny (brak laktozy w pożywce). Substancja represorowa wydzielana przez gen regulator łączy się z operatorem i blokuje go w związku z czym geny struktury są zablokowane, nie działają i proces transkrypcji na genach nie zachodzi. 2 przypadek: induktor obecny (w pożywce jest laktoza). Laktoza jest induktorem. Represor wydzielany przez gen regulator łączy się z induktorem. Gen operator jest odblokowany a tym samym włączone są geny struktury, które są transkrypowane na mRNA, zachodzi translacja i białko potrzebnych enzymów zostaje w komórce wytworzone.
System wyłączania genów - system represyjny, wytłumaczono na przykładzie operonu histydynowego. W normalnych warunkach bakterie mają wszystkie enzymy, które umożliwiają im syntezę aminokwasu histydyny. Geny struktury wtedy działają i enzymy są syntetyzowane. Gdy do pożywki dodamy gotowego aminokwasu histydyny wtedy geny struktury s.ą wyłączone ponieważ enzymy nie musza być syntetyzowane bo aminokwas znajduje się w pożywce gotowy do wykorzystania. 1 przypadek: korepresor nieobecny (brak histydyny). Represor nie łączy się z operatorem w związku z tym geny struktury działają. Zachodzi transkrypcja i synteza białka enzymatycznego. 2 przypadek: korepresor obecny (histydyna) wtedy represor łączy się z korepresorem i powstały kompleks łączy się z operatorem i blokuje go, stąd transkrypcja nie zachodzi bo enzymy są niepotrzebne.
W systemie indukcyjnym represor normalnie jest związany6 z operatorem i transkrypcja nie zachodzi. W systemie represyjnym represor normalnie nie jest połączony z operatorem i transkrypcja zachodzi. Dodanie korepresora umożliwia wiązanie się represora z operatorem i wyłącza transkrypcję. Gdyby zjawisko regulacji funkcji genów nie istniało to niemożliwe byłyby w przyrodzie takie procesy jak rozwój i adaptacja organizmów do zmieniających się warunków środowiska.
Rodzaje genów: dominujące - ujawniają się w stanie heterozygoty lub homozygoty dominującej; recesywne - w stanie homozygoty; modyfikacyjne - wpływają na stopień przejawiania się innych genów; nieznacznie zmieniają cechę uwarunkowaną przez inny gen; letalne - wywołują takie zmiany w organizmie, które prowadzą do śmierci; półletalne (subletalne) wywołują różne choroby dziedziczne lub upośledzają żywotność osobnika; warunkowo letalne - w jednych warunkach działają korzystnie a w innych niekorzystnie np. gen recesywny wywołujący anemię sierpowatą u nas jest letalny a u murzynów jest korzystny bo chroni ich przed malarią.
Zmienność. Zjawiskom dziedziczności towarzyszą zjawiska zmienności czego dowodem jest występowanie osobników potomnych różniących się od typu rodzicielskiego o odmiennych cechach. Przyczyną zmian mogą być zmiany w genotypie (genotypowe) lub w fenotypie. Cechy organizmów zależą z jednej strony od odziedziczonych genów a z 2 od warunków środowiska, które mają wpływ na przejawianie się tych genów czyli ich ekspresywności. Zmienność modyfikacyjna (fluktuacyjna) to fenotypowe zmiany organizmu w rozwoju osobniczym wywołane wpływem czynników środowiska. Jest niedziedziczna, powoduje wykształcenie się różnych fenotypowo osobników, mimo iż genotypowo są identyczne np. króliki, mniszek lekarski, tłuszcz, rozwój muskularny. Granice zmienności pod wpływem środowiska określa genotyp - zespół cech odziedziczonych po rodzicach. Tę granicę zmienności nazywamy normą reakcji. Rozrzut zmienności cechy w ramach normy reakcji przedstawia krzywa zmienności (Gausa Quetelete). Zmienność rekombinacyjna - jest to podstawowe źródło zmienności genotypowej, przekazywana jest dziedzicznie. Rekombinacje genetyczne rozchodzą się w procesach rozmnażania płciowego w wyniku którego powstają osobniki o innym zapisie informacji genet. która pochodzi od ojca i od matki. Nie powstają nowe allele genów(gen nie zmienia postaci), ale nowe układy genów już istniejących. Przyczyny zachodzenia: rekombinacja wewnątrz chromosomowa - w 1 podziale mejozy podobne chromosomy ustawiają się parami - koniugacja. Może między nimi dojść do wymiany odcinków chromatyd - proces crossin over, który rekombinuje geny. Fragmenty chromosomów ojcowskich stają się częścią matczynych i odwrotnie. Powstają chromosomy mozaikowe będące mieszaniną genów ojcowskich i matczynych. Stare układy genów w chromosomach tworzą nowe układy; -przypadkowe rozchodzenie się (segregacja do gamet) chromosomów tworzących pary homologiczne. Chromosomy homologiczne rozchodzą się do przeciwległych biegunów losowo przy czym im większa ilość par tym większa możliwość ich segregacji. Powstają gamety o różnym składzie genetycznym; - losowe łączenie się gamet w trakcie zapłodnienia. Powstają zygoty o różnych kombinacjach genów. Geny ojca i matki mogą się łączyć w różne układy i w potomstwie wystąpią różne cechy.
Mutacja - nagła, skokowa zmiana w substancji dziedziczonej czyli dna. Proces prowadzący do mutacji to mutageneza. Osobnik ze zmienioną cechą to mutant a czynnik wywołujący mutację to mutagen. Mutacje mogą zachodzić samorzutnie lub mogą być indukowane (sztucznie wywoływane). Mutacje genowe (punktowe) - polega na zmianie fragmentu cząsteczki DNA, która stanowi dany gen. W wyniku jej gen zmienia swoją postać, czyli powstaje nowy allel (Dominujący w recesywny). Zmiany chemiczne w genie to: delecja - ubytek jednego lub kilku nukleotydów z fragmentu DNA będącego genem; addycja (insercja) - dodanie do genu jednego lub kilku nukleotydów; substytucje zasad (zamiany zasad budujących DNA): tranzycja - zamiana zasad w obrębie tych samych grup A-G C-T| transwersja- zamiana zasad w obrębie różnych grup A-C G-T; Mutacja recesywna ujawnia się w homozygocie recesywnej, nie ujawnia się w heterozygocie. Przykłady: anemia sierpowata w wyniku której powstają krwinki sierpowate o nienormalnej hemoglobinie S, daltonizm, hemofilia. Mutacje chromosomowe strukturalne (aberacje chromosomów). Przyczyną tych zmian są zaburzenia mechaniczne zachodzące w czasie mejozy np. chromosomy tworzą pętlę, rozpętlają się albo pękają. Wyróżniamy: deficjencja - utrata przez chromosom jakiegoś odcinka a wraz z nim genów; duplikacja - podwojenie tego samego odcinka chromosomu; inwersja- odwrócenie odcinka chromosomu o 1800; translokacja - przeniesienie odcinak chromosomu do innego, niehomologicznego. Mutacje genomowe (chromosomowe liczbowe) genom - haploidalny zespół chromosomów występujący w gamecie. W czasie normalnej mejozy, kiedy powstają gamety następuje redukcja liczby chromosomów dokładnie o połowę z diploidalnej na haploidalną. Przy zaburzeniach w mejozie powstają gamety, którym brak chromosomów lub mają je w nadmiarze. Przyczyną tego jest nie rozchodzenie się chromosomów homologicznych do biegunów komórki. Powstają organizmy zwane aneuploidami. Dzielimy na hipoaneuploidy (niedobór chromosomów):monosmomik 2n-1 i nullisomik 2n-2; hiperaneuploidy (nadmiar chromosomów): trisomik 2n+1 i tetrasomik 2n+2. Poliploidy - osobniki, które mają zwielokrotniony cały zespół chromosomów( powyżej 2n) [3n - triploid]. Poliploidy dzielimy na: autopoliploidy (jeżeli chromosomy zwielokrotnione są do siebie homologicznie - krzyżówki tego samego gatunku) i allopoiploidy (jeżeli chromosomy są nie homologiczne i nie zwielokrotnione - krzyżówki z różnych gatunków np. muł). Czynniki mutagenne: fizyczne: promieniowanie UV, które powoduje powstawanie w cząsteczkach DNA dimerów tymin - są to obok siebie występujące zasady tyminowe; promieniowanie rentgenowskie (jonizujące), najbardziej wrażliwe są gruczoły płciowe, układ krwiotwórczy i tkanki aktywne metabolicznie. Chemiczne: związki które oddziaływują z DNA lub wpływają na proces replikacji, należą do nich kwasy nieorganiczne np. kwas azotawy; związki alkilujące:iperyd, formaldehyd, sulomiany; analogi zasad -związki które swoją budową chemiczną przypominają zasady azotowe; barwniki akrydynowe np. oranż akrydynowy albo proflawina; alkaloidy (trucizny roślinne) np. nikotyna albo kolchicyna; amoniak, nadtlenek wodoru, pestycydy- chemiczne środki ochrony
Kamil