Genetyka

1. DNA-PODSTAWOWY NOŚNIK INFORMACJI GENETYCZNEJ.
a)Budowa: z 4 nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z pentozy-deoksyrybozy, reszty kwasu fosforowego i zasady azotowej. Zasady azotowe różnicują nukleotydy(A ademina T tymina C cytozyna G guanina)
-5C-deoksyryboza
-zasady azotowe : A G-purynowe (dwuścienne)
C T –pirymidynowe (jednościenne)
-reszta kwasu fosforanowego

Nukleozyd – połączenie zasady z cukrem. Każdy ufosforylowany nukleozyd można nazwać Nukleotydem

b)Przestrzenna bud.

c)Reguła komplementarności- obie nici DNA SA komplementarne, sekwencja nukleotydów jednej jest ściśle wyznaczona przez sekwencję drugiej.
A=T - 2 wiązania wodorowe
G≡C - 3 wiązania wodorowe

d)Typ wiązań
- wodorowe – wyst. Miedzy zasadami
- fosfodiestrowe – łaczy nukleotydy
- N-glikozydowe – cząsteczki cukru z zasadą azotową

e)DNA(kształt Helisy) składa się z 2 nici DNA biegnącymi w przeciwnych kierunkach – koniec 5` jednej nici jest położony przy końcu 3` drugiej nici. Każda para nukleotydow oddalona jest od siebie o 0,34nm a na jeden pełen skret Helisy przypada 10 par nukleotydów dlatego dlugość każdego skretu wynosi 3,4nm a średnica 2nm

Funkcja DNA
• Magazyn informacji genetycznej
• Bierze udział w biosyntezie białek
• Przekazywanie cech dziedzicznych z pokolenia na pokolenie
• Bierze udział w podziale komórkowym
• Bierze udział w kierowaniu metabolizmem komórkowym

2. REPLIKACJA – SYNTEZA DNA

a)Replikacja- (samo powielanie się) zachodzi ona w interfazie okresie S.
• Następuje przekazanie materiału genetycznego z kom. Macierzystych do kom. Potomnych

b)Replikacja Semikonserwatywna – z jednej cząsteczki DNA powstają 2 cząsteczki przy czym każda z nich składa się z nici macierzystej i potomnej powstającej na zasadzie komplementarności


c)Etepy Replikacji:
I-Inicjacja – rozpoczęcie
II-Elongacja – wydłużenie łańcucha DNA
III-Terminacja – zakończenie

Replikon – odcinek DNA z miejscem Inicjacji(odcinek podlegający replikacji)

I - Inicjacja
• replikacja rozpoczyna się w ściśle określonym miejscu, które nazywa się origin (ori) lub (O) – specjalny odcinek o specyficznej sekwencji nukleotydów (200-300par) (u prokariotów 1 takie miejsce, u eukariontów wiele nawet kilka tysiecy)
• w miejscach O nici DNA pod wpływem białka enzymatycznego Helikazy rozdzielają się (rozrywanie wiązań wodorowych) i tworzą tak zwane oczko replikacyjne. Replikacja przebiega w 2 kierunkach widełki replikacyjne przesuwaja się w lewo i w prawo tak długo aż połączą się wszystkie oczka replikacyjne.

• następnie syntetyzowane są krótkie(do 10 nukleotydów) odcinki RNA tkz. Startery (primery) przez enzym prymazę ponieważ enzym polimeraza DNA umie dobudowywać tylko nukleotydy do już istniejących nici.
II – Elongacja
• w widełkach replikacyjnych na nici o polarności 3`→5` powstaje nowa nić w kierunku 5`→3` w sposób ciągły. Powstała nić potomna to nić wiodąca.
• natomiast na nici 5`→3` syntetyzowane są krótkie (liczące ok kilkuset nukleotydów) odcinki w kierunku 5`→3` odcinki te nazwano fragmentami Okazaki.





III – Terminacja
• Zachodzi gdy z wszystkich widełek rep. zostają usunięte startery (przez odpowiednie nukleazy). Polimeraza uzupełnia brakujące odcinki DNA, a Ligaza łaczy fragmenty nici DNA.
• Następuje odłączenie kompleksu od nici DNA. Błędy replikacyjne wyłapuje i naprawia polimeraza DNA. (Replikacja DNA z uwzględnieniem systemu korekty = 1 błędnie wstawiony nukleotyd na miliard 1 000 000 000)

Telomery – końcowe odcinki DNA. Przy każdym podziale skracaja się, jak już skrócą się max kom. przestaje się dzielić

Telomeraza – enzym który wydłuża telomery przez co kom. może się ciągle dzielić

3. ORGANIZACJA MATERIAŁU GENETYCZNEGO

Nukleosom
• Kompleks - składający się z DNA jądrowego owiniętego wokół 4 par niewielkich zasadowych białek-Histonów (Piaty rodzaj histonu wiąze wolne odcinki DNA pomiedzy nukleosomami)
• podstawowa jednostka strukturalna fibryli chromatynowej

Fibryle chromatyny zwinięte są w spiralą strukturę zwaną solenoidem.

Chromatyna – między podziałowa postać materiału gen. u organizmów eukariotycznych w jadrze kom.

a)Organizacja materiału gen. w jadrze kom. u eukariota
• Superheliks
x2 skrócone
• Fibryla Chromatynowa

DNA Histon M1
• Nukleosom
←Rdzeń nukleosomu (oktomer histonowy 8 czasteczek histonów)
• Solenoid – fibryle chromatynowe zwinięte w ciasną sprężynkę (rurki)

• Domeny – rurki solenoidu tworzą długie pofałdowane pętle ułożone jedna przy drugiej połączone są białkiem współtworzącym „szkielet chromosomu” (niehistonowe)
←białko niehistonowe
• Chromatyda – składa się z skondensowanego kilkadziesiąt tysięcy razy cząsteczki DNA + odpowiednie białko
• Chromosom- 2 chromatydy (siostrzane)

Sumując kolejne etapy skracania wynoszą one łącznie w chromosomie metafazowym (najbardziej skrócony) 11 000


Taka skomplikowana struktura mat. gen. eukariontów umożliwia:
- zmieszczenie znacznej liczby dużych cząsteczek DNA w jądrze kom.
-wybiórczą dostępność do określonych genów
-replikację i uporządkowany podział komórki
DNA→fibryla→solenoid→domeny→chromatyda→chromosom metafazowy

Chromosom – podziałowa postać chromatyny
1. Sekwencja telomerowi/Satelita
2. Przewężenie wtórne/Organizator Jąderkowy(organizator NOR) – sekwencje DNA w OJ są matrycami wykorzystywanymi w interfazie do syntezy rRNA.
3. Kinetochor – miejsce przyczepu włókien wrzeciona kariokinetycznego
4. Centromer – przewężenie (rejon ten ma istotne znaczenie w rozdzielaniu chromosomów potomnych)
5. Chromatydy



Telomery – zakończenia DNA, zakończenia ramion chromosomów u eukariontów.

Genom – Całość DNA zawartego w jednym haploidalnym zespole chromosomów.
• Wirusy – jedno- dwuniciowe DNA, jedno- dwuniciowe RNA. W danym wirusie wystepuje tylko 1 rodz. kwasu nukleinowego. Rozne liczby genow od 3 do ok. 100.
• Wiroidy – zbud. Tylko z kolistego RNA. Nie zawieraja genów (liczba nukleotydów wynosi zaledwie kilkaset). Powodują choroby u roślin.
• Bakterie – zbud. z pojedynczej dwuniciowej kolistej cząsteczki DNA. Liczba genów od 500-6000. W kom. prokariotycznych mogą występować małe koliste cząsteczki DNA, zwane plazmidami(replikuja się niezależnie od genoforu i zawieraja nieliczne, ale ważne geny, np. odporność na antybiotyki)
• Eukariontów – tworzy określona liczba dwuniciowych, liniowych cząsteczek DNA, znajdujących się w jądrze komórkowym.

Genotyp – Genetyczny skład osobnika.

Gen – Jednostka informacji genetycznej, zwykle wyznaczająca strukturę białka. zbud. jest z DNA i zlokalizowana w chromosomie (odcinek DNA)

Priony – białko powodujące chorobę. Jest obecne także u zdrowych zwierząt. Kolejność aminokwasów w tym białku jest taka sama jak w białku zakaźnym, jednak ma ono inną budowę przestrzenną(konformację)

4. BUDOWA I RODZAJE RNA

a)Budowa - jednoniciowe
RNA – kw. Rybonukleinowy
• Cukier – 5C - ryboza
• Zasada azotowa A G C Uracyl
• Reszta kw. fosforowego

b)Występowanie RNA
• Jądro komórkowe
• Plastydy
• Mitochondrium
• Cytoplazma

c)Rodzaje RNA
 mRNA – matrycowy (informacyjny)
• krótkotrwały
• powstaje na matrycy DNA w jądrze kom.
• przenosi informacje genetyczną o budowie białka do cytoplazmy
 tRNA – transportujący
• transportuje aminokwasy do biosyntezy białka
 rRNA – rybosomalny
• buduje chromosomy

d)Cząsteczka tRNA:
1 – miejsce doczepienia aminokwasów
2 – ułatwia przymocowanie do rybosomy
3 – zawiera informacje genetyczną, który aminokwas ma być przyłączony do tego tRNA
4 – pętla antykodonowa zawiera antykodon – trójka nukleotydów komplementarnych do kodonu na mRNA1.10.B




Cechy: DNA RNA
Bud. nukleotydów -Pięciowęglowy cukier – Deoksyryboza
-Grupa Fosforanowa
-Zasada Azotowa (A G C T) -Pięciowęglowy cukier –Ryboza
-Grupa Fosforanowa
-Zasada Azotowa (A G C Uracyl)
Występowanie Chromosomy
Jądro Kom.
Mitochondria
Chloroplasty Jądro Kom.
Plastydy
Mitochondria
Cytoplazma
Funkcja -magazynuje inf. Gen.
-bierze udział w biosyntezie białek
-przekazywanie cech dziedzicznych z pokolenia na pokolenie
-bierze udział w podziale kom.
-bierze udział w kierowaniu metabolizmem kom. -bierze udział w syntezie białek
Ilość nici 2 1

5. PRZEKAZYWANIE INF. GEN. KOMÓRKOM POTOMNYM

a)Cykl życiowy – okres od powstania nowej komórki do zakończenia następnego podziału.

b)Cykl komórkowy – cykl życiowy komórek dzielących się mitotycznie.(tak samo nazwany jest cykliczny wzrost i prosty podział komórki bakterii ale to nie mitoza)

Na cykl kom. składają się: Interfaza i Mitoza.
1. Interfaza – najdłuższa faza cyklu komórkowego 90-95% czasu. Może być przygotowaniem do następnego podziału lub oznaczać specjalizacje z zaprzestaniem aktywności podziałowej.
Dzieli się na charakterystyczne okresy:
 G1
• Osiągniecie poprzednich rozmiarów przed podziałowych (intensywny podział białek)
• Rozpoczyna się bezpośrednio po telofazie poprzedniej mitozy.
 G0
• Zaprzestanie aktywności podziałowej (przestaje się dzielić)
 S
• Replikacja DNA (podwojenie, n→2n) = uproszczenie
• Zmniejszenie syntezy białek budulcowych i enzymatycznych, syntetyzowane są proteiny związane z odtwarzaniem genomu.
 G2
• Przygotowanie się do Mitozy
• Brak replikacji DNA
• Synteza białek wrzeciona Kariokinetycznego
• Zwykle w tym okresie dzielą się organelle półautonomiczne


2. Mitoza – 5-10% czasu całego cyklu kom. i jest konsekwencją procesów z okresów S i G1. Podczas mitozy następuje uporządkowany rozdział materiału genetycznego, tak że do obu jąder potomnych trafia tyle samo chromosomów(2n na 2n, n na n)






Dzieli się na 4 fazy:
 Profaza – zanika jąderko. Powstaje wrzeciono kariokinetyczne. Pęka błona jądrowa co stanowi sygnał końca profazy.

 Metafaza – włókna wrzeciona kariokinetycznego przyciągają się do centromerów i układają chromosomy w płaszczyźnie równikowej. Tworzy się tzw. płytka metafazalna. Pod konieć metafazy dochodzi do podziału centromerów.

 Anafaza – rozpoczyna się gdy pęka ostatni centromer. Włókna wrzeciona kariokinetycznego odciągają się do przeciwległych biegunów komórkowych chromatyny.

 Telofaza – Rozpoczyna się gdy grupy chromosomów potomnych osiągną największe oddalenie. Dookoła 2 grup chromosomów potomnych tworzone są otoczki jądrowe, natomiast chromosomy ulegają despiralizacji(rozkreceniu) do chromatyny. Później powstają jąderka. (uproszczenie-Powstaje jąderko, chromosomy ulęgają despiralizacji, wytwarzana jest otoczka jądrowa)








c)Mejoza – podział jądra kom., który nie odtwarza diploidalnej liczby chromosomów, lecz zmniejsza ją o połowę z 2n do n. Mejoza poprzedzona jest interfazą i składa się z 2 kolejnych podziałów. W każdym można wyróżnić profazę, metafę, anafazę i telofazę.

Pierwszy podział mejotyczny:

 Profaza I – pojawiające się chromosomy dobierają się parami, tworząc biwalenty. Biwalent mogą utworzyć jedynie 2 podobne chromosomy (homologiczne). Połączenie to umożliwia mieszanie materiału gen. polegające na tym, że w niektórych biwalentach chromatydy wymieniają miedzy sobą odcinki (crossing over)
 Metafaza I – włókienka wrzeciona podziałowego przyłączają się do centromerów i układają całe biwalenty w płaszczyźnie środkowej komórki. Stopniowe skracanie włókienek wrzeciona podziałowego prowadzi do rozerwania biwalentów.
 Anafaza I – skręcające się włókienka wrzeciona kariokinetycznego odciągają chromosomy homologiczne do przeciwległych biegunów komórki. Tak więc z każdego biwalentu jeden chromosom przemieszcza się do jednego bieguna, a drugi do drugiego. W momencie, kiedy grupy chromosomów (u człowieka każda para po 23 chromosomy) osiągną maksymalne oddalenie, anafaza I się kończy.
 Telofaza I – wokół grup chromosomów odtwarzana jest otoczka jądrowa. Chromosomy częściowo ulegają despiralizacji, zwykle następuje też cytokineza. W wyniku pierwszego podziału mejotycznego powstają 2 jednojądrowe komórki. Każda z nich ma podwójne chromosomy, po jednej z każdej pary chromosomów homologicznych


Drugi podział mejotyczny – przypomina zwykła mitozę z tym, że nie poprzedza go replikacja DNA. Podział ten w każdym z jąder prowadzi do rozdziału chromosomów na chromatydy(chromosomy potomne), czyli do zmniejszenia liczby cząsteczek DNA o połowę. Ostatecznym skutkiem drugiego podziału mejotycznego jest więc zwiększenie liczby komórek potomnych do czterech haploidalnych. Komórki maja pojedyncze chromosomy niewymieszane (tzw. rodzicielskie) oraz wymieszane. Sprawą przypadku jest przypadku jest, jaki chromosom z danej pary trafi do danego jądra.

3. Namnażanie się wirusów – polega na tym, że wirus wnika do wnętrza komórki przejmuje nad nią kontrole i zmusza ją do produkcji nowych wirionów. Wirusy dzieli się na wczesne i późne w zależności od tego jak szybko od momentu wniknięcia do komórki stają się aktywne
4. Rozmnażanie się prokariotów (bakterii)
 Rozmnażanie bezpłciowe – polega na prostym podziale komórkowym, poprzedzonym replikacją genoforu. Podział ten prowadzi do powstania 2 identycznych komórek potomnych.
 Rozmnażanie płciowe:
• Koniugacja – prowadzi do rekombinacji materiału genetycznego(crossing over). Polega na tym, że komórka dawcy (donor F+) spełnia rolę męską natomiast kom. biorcy (akceptor F-) żeńską. Kom. „męskie” maja zdolność wytwarzania fimbrii płciowych (pilli) – niewielkich cieniutkich wypustek proplazmatycznych ułatwiających kontakt komórek i przenoszenie DNA
• Transformacja – to nabywanie przez kom. biorcy nowych cech w drodze pobrania obcego DNA występującego w środowisku. Przykład: zmiany niezjadliwych bakterii dwoinki zapalenia płuc w zjadliwe.
• Transdukcja – polega na przeniesieniu DNA z komórki dawcy do komórki biorcy





5. Cykle życiowe organizmów eukariotycznych
 Mitoza
• Jednokomórkowce – w prosty sposób prowadzą do wzrostu liczby osobników.
• Organizmy wielokom. – wzrost liczby komórek somatycznych ciała
• Rośliny i proste zwierzęta – rozmnażanie bezpłciowe, organizmy potomne są klonami (kopiami określonego organizmu rodzicielskiego.)
 Mejoza
• Zwierzęta – prowadzi do powstania gamet(ryc. 2.8.A) – nietrwałych komórek umożliwiających rozmnażanie płciowe. Dochodzi w nim do łączenia inf. gen. pochodzących od różnych rodziców
• Jednokom. Haploidalne Protesty – powoduje powstawanie nowych osobników(2.8.B)
• Rośliny – w cyklu życiowym funkcjonują 2 pokolenia: 2n sporofit i n gametofit (2.8.C). Gametofit jest stadium życiowym, produkującym gamety w drodze mitozy. Sporofit produkuje w drodze mejozy specjalne kom. – zarodniki czyli mejospory.


6. EKSPRESJA INFORMACJI GENETYCZNEJ.

1. Podstawowe zasady kodowania informacji genetycznej

 Cechy kodu genetycznego:
• Trójka nukleotydów (kodon – jest ich 64) koduje jeden aminokwas(jest ich 20)
• Kod gen. jest jednoznaczny – dana trójka nukleotydów oznacza tylko 1 aminokwas
• Bezprzecinkowy – miedzy trójkami kodującymi nie ma żadnych dodatkowych elementów
• Niezachodzący – kodony leżą jeden za drugim, nie mają wspólnych elementów
• Zdegenerowany (wieloznaczny) – jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych trójek nukleotydów.
• Uniwersalny – we wszystkich organizmach jest taki sam, np.: trójka nukleotydów mRNA – CUG oznacza zawsze leucynę
• Kolinearny – trójki zasad rozłożone są w ściśle określonej kolejności (kolejnośc rozłożenia trójek odpowiada kolejności ułożenia aminokwasów)

 Ważne kodony:
o AUG – START, kodon metioniny
o UAA – STOP
o UAG – STOP
o UGA - STOP

2. Biosynteza białka – transkrypcja i translacja

 Ekspresja – odczytywanie inf. gen. (przetłumaczenie „języka” kw. nukleinowych na „język” białek)



 Transkrypcja – przepisywanie inf. gen. zawartej w DNA na mRNA.
o Informacja gen. kopiowana jest z matrycy DNA na swoistą kopię roboczą – mRNA
• Rozpoczyna się w ściśle określonym miejscu (miejsce inicjacji)
• Przeprowadza ją duży enzym zbud. z podjednostek – polimeraza RNA.
• Rozpoczyna się przez związanie polimerazy RNA ze swoistym odcinkiem matrycowej nici DNA – promotorem (polimeraza skanuje sekwencje DNA z prędkością 1000 par zasad na sekundę w poszukiwaniu promotora)
• Dochodzi do rozsuniecie nici DNA, co umożliwia wstawienie pierwszego a następnie włączenie kolejnych nukleotydów RNA
• Synteza mRNA odbywa się w sposób ciągły tylko na jednej nici DNA o polarności 3`→5`. Druga nic DNA 5`→3` nie ulega transkrypcji (zmianie). mRNA zawsze powstaje o polarności 5`→3`
• Gdy przesuwająca się polimeraza dotrze do specjalnej sekwencji (terminacji transkrypcji) odłącza się. Uwolniony zostaje powstały RNA, natomiast DNA powraca do swojej dwuniciowej struktury.


• Eukarionty – w jądrze kom.,
o Trzy wyspecjalizowane polimerazy RNA
o Wymagane są liczne białka (czynniki transkrypcyjne)
o Pierwotny transkrypt (pre-mRNA) nie przypomina gotowego do translacji
o Występują geny(tzw. nieciągłe czyli podzielone na eksony czyli sekwencje kodującą i introny sekwencja niekodująca)
o Dojrzewanie pre-mRNA – modyfikowanie obu końców pre-mRNA z przodu (koniec 5`) zostaje dodana tak zwana czapeczka (ułatwia wiązanie małej podjednostki rybosomu) z tyłu ogon poli (A) (zabezpiecza cząsteczkę mRNA przed atakami enzymów rozkładających RNA (egzonukleaz RNA))
o Splicing – składanie RNA (wycinanie i usuwanie intronów oraz łączenie eksonów)


• Prokariot – w cytoplazmie
o Powstały mRNA jest gotowy do translacji.
o Tylko jeden rodzaj polimerazy RNA





 Translacja – przetłumaczenie kolejności ułożenia nukleotydów na język ułożenia aminokwasów.
• Zachodzi w cytoplazmie na rybosomach.
 Inicjacja – wytworzenie kompleksu inicjacyjnego
• Przed rozpoczęciem translacji wolne aminokwasy muszą zostać dołączone do odpowiednich cząsteczek tRNA(w niesprarowanym odcinku 3` cząsteczki ryc. 1.10B)
• Podjednostki rybosomu opłaszczają mRNA. mRNA przesuwający się przez rybosom umożliwia cząsteczkom aa-tRNA rozpoznawanie kolejnych kodonów (w kierunku 5``→3``).
• Dostarczane przez tRNA aminokwasy łączone są po kolei wiązaniem peptydowym. Za syntezę wiązań peptydowych odpowiada jedna z cząsteczek rRNA, współtworząca dużą podjednostkę rybosomu.
1 – tRNA
2 – mniejsza podjednostka rybosomu
3 – większa podjednostka rybosomu



 Elongacja – wydłużenie łańcucha polipeptydowego
• W miejscu P znajduje się tRNAMET miejsce A jest wolne. W miejscu A wchodzi aa tRNA
• Następnie zostaje wytworzone wiązanie polipeptydowe miedzy tymi 2 aminokwasami, które jest katalizowane prze enzym peptydylotransferazę.
• W miejscu P mamy wolną cząsteczkę tRNA, a w miejscu A cząsteczkę tRNA z 2 aminokwasami. Następnie wolny tRNA z miejsca P zostaje usuniety do miejsca E (poza rybosom). Dochodzi do przesunięcia mRNA względem rybosomu o 1 kodom – translokacja
• W miejscu P znajduje się cząsteczka tRNA z 2 aminokwasami, a miejsce A jest wolne. W miejscu A wchodzi kolejna cząstka tRNA niosąca jakiś aminokwas (aa tRNA)
• Zakończenie elongacji ma miejsce wtedy gdy w miejscu A pojawia się 1 z kodonów STOP/terminacyjnych
- UAA, UGA, UAG
- nie ma żadnej cząsteczki tRNA z antykodonami komplementarnymi do tych 3 kodonów STOP
 Terminacji – zakończenie (biosyntezy białka - translacji)
• W miejscu A wchodzą różne białka/czynniki białkowe, które powodują odłączenie mRNA. Rozpad rybosomu i uwolnienie polipeptydów