Genetyka ogólnaBiosynteza białka

(transkrypcja i translacja)Replikacja

Zagadnienia szczegółowe

Ekspresja genu. Biosynteza białka. Rybosomy. Jąderko. Kod

genetyczny. Aparat enzymatyczny procesu transkrypcji

i translacji.

Replikacja DNA. Faza S cyklu komórkowego. Aparat

enzymatyczny procesu replikacji

Rola biologiczna jąderkaJąderko - ultraelement jądra komórkowego, odpowiedzialny za syntezę rRNA. Składa się z zagęszczonej chromatyny. W trakcie podziału komórkowego jąderko zanika. Można to uzasadnić zablokowaniem transkrypcji genów kodujących rRNA, ponieważ wtedy chromosomy ulegają kondensacji.Jąderko tworzone jest z obszaru jąderkotwórczego (NOR), u człowieka występuje 10 NOR-ów (znajdujących się na ramionach chromosomów par 13, 14, 15, 21 i 22), a np. u świni 4 NOR-y. Jąderko jest luźno zawieszone w kariolimfie. Jąderko nie jest obłonione, w czym przypomina rybosom.Organizator jąderka (NOR z ang. nucleolus organizer region) jest to fragment genomu zawierający powtarzające się sekwencje kodujące cząsteczki 18S i 28S rRNA, podzielone intronami. Po zakończeniu podziału komórkowego i odtworzeniu normalnej struktury jądra komórkowego ten odcinek chromosomu znajdzie się wewnątrz jąderka.

Budowa jądra komórkowego 1. błona jądrowa (kariolemma) 2. rybosomy; 3. pory w błonie jądrowej; 4 jąderko; 5. skłębione nici chromatynowe; 6. jądro komórkowe; 7. retikulum endoplazmatyczne; 8. kariolimfa.

Jąderko powstaje poprzez kondensację części chromosomu (lub kilku chromosomów) zwanych obszarami jąderkotwórczymi (NOR); - jest kulistą, często pojedynczą, strukturą wewnątrz jądra komórkowego nie otoczoną żadną błoną. Zbudowane jest głównie z białek i w mniejszym stopniu z RNA i DNA. Odpowiada za syntezę rRNA oraz składanie rybosomów. 4 – jąderko, 5 -

chromatyna

Organizatorem jąderka jest odcinek DNA zawierający geny dla rRNA•Niezależna całość, strukturalna odrębność•miejsce syntezy rRNA przy udzialepolimerazy I; •posttranskrypcyjne dojrzewanie rRNA i montaż prerybosomówW jąderku pierwotny transkrypt rRNA jest posttranskrypcyjnie modyfikowany i łączony z białkami w podjednostki rybosomowe

Organizacja jąderka przez obszary NOR obecne w chromosomach zawierających geny dla rRNA

10 obszarów NOR u człowieka (5x2) 13,

14, 15, 21 i 22

Synteza rybosomalnego RNA w jąderku

U góry: (mikrografia z TME): chromosomy w postaci luźnej chromatyny zawierające regiony z genami dla rRNA tj. rDNA. DNA w regionie organizacji jąderka (NOR) wygląda jak choinka. Szczyt drzewa jest miejscem inicjacji transkrypcji. Widać wyraźnie gałęzie ,,drzewa’’. Każda gałąź jest rosnącym brzegiem morza rybosomalnego RNA. Informacja genetyczna z rDNA jest przepisywana i powstałe sekwencje nukleotydowe rRNA zasilają morze RNA. Źródło: Bloom i Fawcett, Textbook Histology, Chapman i Hall, 1994.

U góry: jądro fibroblastu z jąderkami wybarwionymi na purpurowo

Typy RNATyp Umiejscowienie Budowa i funkcja

Matrycowy RNA (mRNA) jądro i cytoplazma

Zmienne rozmiary, sekwencja zasad komplementarna do transkrybowanego

DNA, 1 % całkowitego komórkowego kwasu nukleinowego, okres półtrwania

7- 24 godzin

Transportujący RNA (tRNA)

cytoplazma

Kształt pętelki, szpilki do włosów, około 40 typów, swoiste aminokwasy, 70-90

nukleotydów w każdym tRNA

Rybosomowy RNA (rRNA)

rybosomy i jąderka

Około 80% całkowitego komórkowego RNA, syntetyzowany i przechowywany w jąderkach

Heterogeniczny RNA (HnRNA)

jądro Prekursory mRNA o dużej masie cząsteczkowej

Budowa genu

Budowa nukleotydów

Replikacja DNA. Elementy składowe DNA. Zasady azotowe

Pirymidyny

Puryny

Podwójna helisa = podwójny helix

Elementami zmiennymi podwójnej helisy są zasady azotowe, pozostałą część nukleotydu, tworzącą

rdzeń cukrowo-fosforanowy, jest elementem niezmiennym

Ekspresja genu – w węższym i szerszym sensie. Biosynteza białka

Eukaryota Prokaryota

Różnice: brak intronów w genach prokariontów, w związku z tym brak splicingu – procesu dojrzewania mRNA, brak sekwencji regulatorowych dla każdego genu, zamiast tego organizacja genów w operony, transkrybujące od wspólnej sekwencji operatora.

Ekspresja genu: pierwszy etap – transkrypcja, drugi etap - translacja

Transkrypcja

Pasma DNA :Kodujące --------5’TGG AAT TGT GAG CGG ATA ACA ATT TCA ATG- 3'Matrycowe --------3’ACC TTA ACA CTC GCC TAT TGT TAA AGT TAC- 5’(transkrybowaneale niekodujące)

mRNA 5’ UGG AAU UGU GAG CGG AUA ACA AUU UCA AUG-3’

Zależność między transkryptem RNA i sekwencją jego genu. Powyżej przedstawiono kodujące i niekodujące pasma DNA i ich polarność. Transkrypt RNA 5’ do 3’ ma taką samą polarność i taką samą sekwencję jak w paśmie DNA kodującym (nietranskrybowanym), z wyjątkiem U w transkrypcie, zastępującym T w DNA. (wg Biochemii Harpera, 2005. Zmodyfikowane)

Splicing mRNA

U góry: prosta ilustracja exonów i intronów w pre-mRNA oraz powstającego na drodze splicingu dojrzałego mRNA. Sekwencje UTRs są niekodującymi częściami exonów a także końcami mRNA

Powstawanie 3 rodzajów rRNA i formowanie rybosomu

Składanie rybosomów z różnych białek oraz rRNA

Mikrografia z TME ukazująca obecność milionów rybosomów związanych z błoną ER

Morfologia rybosomów

1.Dużapodjednostka; 2.Małapodjednostka

Struktura dużej podjednostki 50S rybosomu. Kolorem niebieskim

Struktura dużej jednostki rybosomalnej; na niebiesko zaznaczone są białka, żółtym rRNA, a czerwonym kluczowa adenina 2486 w centrum

aktywnym

Transportujący RNA - tRNA

Schemat budowy cząsteczki tRNA

Przestrzenna struktura tRNA. Pętla z antykodonem

znajduje się u dołu, wybarwiona na niebiesko, a antykodon jest czarny. czarny.

Kod genetyczny

Nomenklatura: pełne nazwy aminokwasów, skróty trzyliterowe oraz

nowe skróty, jednoliterowe, międzynarodowe (czerwone)

Nomenklatura: pełne nazwy aminokwasów, skróty trzyliterowe oraz

nowe skróty, jednoliterowe, międzynarodowe (czerwone)

Ala A alanina

Arg R arginina

Asn N asparagina

Asp D kw asparaginowy

Cys C cysteina

gln Q glutamina

glu E kw glutaminowy

gly G glicyna

his H histydyna

ile I izoleucyna

Leu L leucyna

Lys K lizyna met M metionina

phe F fenyloalanina

pro P prolina

ser S seryna

thr T treonina

trp W tryptofan

tyr Y tyrozyna

val V walina

Współdziałanie tRNA oraz mRNA

a.Antykodon pętli tRNA łączy się z kodonem w mRNA

b.Dwie cząsteczki tRNA zajmują miejsce P (peptydylowe) oraz A – akceptorowe

c.Przyczyna i skutek – wytworzenie wiązania peptydowego między dwoma aa

Translacja na rybosomie

Wynik translacji

a. Nukleotydy mRNA; b. Kodony w mRNA; c. Aminokwasy powiązane wiązaniami peptydowymi; d. Wydłużający się peptyd

Polirybosom (polisom)

Model semikonserwatywnej replikacji DNA

Synteza DNA – replikacja w fazie S cyklu komórkowego w

komórkach dzielących się

Powstawanie widełek replikacyjnych

U góry, nić nr 1: Widełki replikacyjne przesuwają się w obu kierunkach od miejsc początku replikacji, które w chromosomie eukariotycznym występują w wielu miejscach w tym samym czasie. Nić nr 2 jest szkicem odtwarzającym etapy replikacji przedstawione na mikrografii znajdującej się na dole: żółte linie na szkicu to wyjściowe łańcuchy DNA (matrycowe), a brązowe stanowią nowo syntetyzowane łańcuchy DNA). Żródło: Podstawy biologii komórki. Alberts i wsp., PWN, 2005.

Białka obsługujące proces replikacji1.Helikaza – rozwijająca podwójny helix

2. Białka wiążące i stabilizujące pojedyńcze pasmo DNA

3.Topoizomeraza – białko, które ma zdolność rozkręcania spirali DNA, przecinania podwójnej helisy w miejscu powstania naprężeń, naprawy podwójnych złamań (podobnie do ligazy) ale bez udziału energii

4. Białko zwane ruchoma obręcz5. Prymaza (polimeraza RNA), syntetyzuje primer

RNA, który inicjuje replikację. Prymazy nie naprawiają błędów powstających w starterach RNA, więc mutacje występują z częstością 1nk/10 do 7 poprawnych przyłączeń. Primery powstają co 200 nk i są potem wycinane.

6. Nukleazy – usuwają primery po ich wykorzystaniu

7. Polimerazy replikacyjne – budują polimer DNA, mają zdolności redagowania DNA (naprawy). 8. Ligazy (rodzaj polimerazy DNA), łączą ze sobą fragmenty Okazaki, wymagają energii z ATP, katalizują powstanie wiązania fosfodiestrowe go i rdzenia cukrowofosforowego.

9. Naprawcza polimeraza DNA, uzupełnia fragmenty DNA, wycięte przez nukleazy w miejscu obecności starterów RNA.

10.Telomeraza – katalizuje powstawanie sekwencji RNA: CCCCAAU, do której polimeraza DNA przyłącza sekwencję powtarzalną DNA: GGGGTTA, zlokalizowaną na końcach chromosomu

Ciąg dalszy białek procesu replikacji

Schemat syntezy DNA w obrębie pojedyńczych widełek replikacyjnych

Aby replikacja przebiegła prawidłowo, podczas rozdzielenia obu nici nie może dojść do zaburzenia ich struktury I-rzędowej. Muszą także zostać spełnione następujące warunki: matryca DNA musi zostać dokładnie odczytana, dostępna musi być odpowiednia ilość wolnych nukleotydów, podczas procesu musi zostać zachowana komplementarność nici. Na koniec musi dojść do ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowo powstałego łańcucha i połączenia wiązaniami wodorowymi nowego łańcucha z łańcuchem macierzystym w podwójną helisę.

Replikacja DNA, faza S cyklu komórkowego

Aby replikacja przebiegła prawidłowo, podczas rozdzielenia obu nici nie może dojść do zaburzenia ich struktury I-rzędowej. Muszą także zostać spełnione następujące warunki: matryca DNA musi zostać dokładnie odczytana, dostępna musi być odpowiednia ilość wolnych nukleotydów, podczas procesu musi zostać zachowana komplementarność nici. Na koniec musi dojść do ewentualnego uzupełnienia braków na końcu nowo powstałego łańcucha i połączenia nowego łańcucha z łańcuchem macierzystym w helisę.

Szybkość replikacji

Dziękuję za uwagę