Genetyka ogólna Biosynteza 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 jąderka Jąderko - 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.

Odpowiada za syntezę rRNA oraz składanie rybosomów. 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 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. Organizatorem jąderka jest odcinek DNA zawierający geny dla rRNA •Niezależna całość, strukturalna odrębność•miejsce syntezy rRNA przy udziale polimerazy I; •posttranskrypcyjne dojrzewanie rRNA i montaż prerybosomów W jąderku pierwotny transkrypt rRNA jest posttranskrypcyjnie modyfikowany i łączony z białkami w podjednostki rybosomowe

10 obszarów NOR u człowieka (5x2) 13, 14, 15, 21 i 22 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: jądro fibroblastu z jąderkami wybarwionymi na purpurowo 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.

Typy RNA Typ 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’ (transkrybowane ale 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 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 Przestrzenna struktura tRNA. Pętla z antykodonem znajduje się u dołu, wybarwiona na niebiesko, a antykodon jest czarny. czarny. Schemat budowy cząsteczki tRNA

Kod genetyczny

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

Translacja na rybosomie Antykodon pętli tRNA łączy się z kodonem w mRNA Dwie cząsteczki tRNA zajmują miejsce P (peptydylowe) oraz A – akceptorowe Przyczyna i skutek – wytworzenie wiązania peptydowego między dwoma aa

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 replikacji 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 obręcz 5. 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.

Ciąg dalszy białek procesu replikacji 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

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 -Płazy 500nk/min, tj. 8nk/s Ssaki: 2200 nk/min, tj. 37 nk/s Drożdże: 3600 nk/min, tj. 60 nk/s Bakterie: 50.000 nk/min, tj. 833 nk/s Stosunek szybkości replikacji prokariontów do eukariontów 23:1 do 24:1

Dziękuję za uwagę