GENETYKA.doc

¨      CYTOKINEZA – podział cytoplazmy, KARIOKINEZA – podział jądra komórkowego.

¨      Opis cyklu komórkowego: faza mitozy lub mejozy (M) jest stosunkowo krótką fazą. Po podziale komórkowym następuje faza G1 (intensywna synteza białek i innych materiałów budulcowych komórki); komórka może przejść w fazę G0, czyli stacjonarną, albo zmierzać do podziału komórkowego. Większość komórek organizmu człowieka jest w fazie G0, ale są one zdolne do kolejnego podziału. Jeśli komórka zmierza do podziału, wchodzi w fazę S, podczas której zachodzi replikacja DNA komórkowego i synteza białek histonowych. Po fazie S następuje faza G2, podczas której zachodzi synteza centrioli i tubuliny. Fazy od G1 do G2 noszą nazwę interfazy.

¨      Wejście komórki w odpowiednie fazy jest kontrolowane w odpowiednich momentach, tzw. punktach kontrolnych mitozy: przed wejściem w fazę S, przed wejściem w fazę M i przed wyjściem z fazy M. Kontrola podziałów komórkowych oparta jest na działaniu specjanych białek kinaz (mają one zdolność aktywacji lub inaktywacji innych białek poprzez ich fosforylację) zależną od innych białek zwanych cyklinami (kinazy zależne od cyklin). Są one syntetyzowane de novo podczas każdego cyklu komórkowego, a po nim degradowane w strukturach zwanych proteasomami po uprzedniej ubikwitynizacji.

MITOZA

¨      Zachodzi w podczas podziałów wszystkich komórek człowieka z wyjątkiem komórek rozrodczych. Powstają w wyniku niej dwa jądra komórkowe potomne, każde o takiej samiej ilości chromosomów, co komórka wyjściowa.

¨      Profaza mitozy – chromatyna ulega spiralizacji i wyodrębniają się chromosomy (złożone są z dwóch chromatyd siostrzanych połączonych pośrodku centromerem), zanika otoczka jądrowa i jąderko. Powstaje wrzeciono podziałowe, złożone z włókienek (mikrotubuli) skupiających się na biegunach komórki.

¨      Metafaza – chromosomy ustawiają się w środku komórki, tworząc płytkę metafazową, włókienka przyczepiają się do kinetorów znajdujących się po obu stronach centromeru. Są to mikrotubule kinetochorowe. Oprócz nich występują też mikrotubule biegunowe, które sięgają połowy komórki, gdzie są końcami połączone z mikrotubulami biegunowymi wychodzącymi z przeciwległego bieguna.

¨      Anafaza – wrzeciono podziałowe ulega ,,skurczeniu“ (w rzeczywistości depolimeryzacji), następuje rozdział chromosomu na dwie chromatydy, po jednej chromatydzie z każdego chromosomu trafia do komórki potomnej.

¨      Telofaza – następuje cytokineza, odbudowa otoczki jądrowej, odtworzenie się jąderka, despiralizacja chromosomów. W komórkach zwierząt cytokineza zachodzi dzięki filamentom aktynowym i miozynowym, tworzącym pierścień kurczliwy.

¨      W komórkach potomnych jest tyle samo chromosomów, ile w komórce wyjściowej, a poziom ilości DNA wraca do poziomu sprzed replikacji w fazie S.

MEJOZA

¨      U zwierząt zachodzi przy powstawaniu gamet. W jej wyniku powstają komórki o ilości chromosomów dwukrotnie mniejszej niż komórka wyjściowa. Zachodzą w niej dwa podziały, z przerwą zwaną interkinezą.

¨      Profaza I – chromosomy ustawiają się w biwalenty. Są to pary chromosomów homologicznych. Pomiędzy tymi chromosomami ma miejsce zjawisko crossing – over (wymiana odcinków chromatyd między chromosomami homologicznymi à proces ten jest jednym ze źródeł zmienności genetycznej). Profaza mejozy składa się z następujących okresów: leptoten, zygoten, pachyten (wtedy zachodzi crossing-over), diploten, diakineza. Po crossing – over, chromosomy homologiczne rozdzielają się, pozostają złączone tylko w miejscach, gdzie zaszło crossing-over. Te miejsca zwane są chiazmami.

¨      Metafaza I – biwalenty ustawiają się w środkowej części komórki. W każdej parze do każdego chromosomu przyczepione jest włókno wrzeciona podziałowego.

¨      Anafaza I – z każdego biwalentu po jednym chromosomie wędruje do komórki potomnej. Jest to faza redukcji liczby chromosomów w stosunku do komórki wyjściowej. Do każdej komórki potomnej może trafić dowolny chromosom z każdego biwalentu osobno, losowo. Tak więc stanowi to kolejną przyczynę różnorodności genetycznej.

¨      Telofaza I – cytokineza, jednak komórki potomne przechodzą w drugi podział.

¨      Drugi podział – każdy chromosom w komórkach potomnych składa się z dwóch chromatyd. Podział ten przypomina mitozę (w metafazie chromosomy ustawiają się w środkowej części komórki w płytkę metafazową, w anafazie po jednej chromatydzie wędruje do komórki potomnej, w telofazie odbudowa otoczki jądrowej, jąderka, despiralizacja chromatyny, cytokineza).

¨      Ogólnie mówiąc, w mejozie komórki potomne mają o połowę mniej chromosomów niż komórka wyjściowa i czterokrotnie niższy poziom ilości niż komórka wyściowa po replikacji w fazie S. Komórki potomne mają po jednym z każdej pary chromosomów homologicznych. W wyniku mejozy powstają cztery komórki potomne (a w wyniku mitozy dwie).

Kwasy nukleinowe

¨      DNA – polimer nukleotydów (zasada azotowa + deoksyryboza + reszta fosforanowa), składa się z dwóch nici nukleotydów połączonych wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami azotowymi (adenina z tyminą – dwa wiązania; cytozyna z guaniną – trzy wiązania). Nukleotydy w jednej nici są połączone wiązaniami 3‘-5‘-fosfodiestrowymi. Znane typy helis to: helisa A (prawoskrętna, rzadko występująca u organizmów, różni się od helisy B niektórymi parametrami), helisa B (prawoskrętna, najczęściej występująca u organizmów żywych), helisa Z (lewoskrętna, bardzo rzadka).

DNA u eukariontów (i archeanów) jest związane z histonami. Są to białka wysoce konserwatywne (sekwencje ich genów porównuje się odtwarzając filogenezę organizmów daleko spokrewnionych), mają odczyn zasadowy (duża zawartość lizyny i argininy), tworzą niekowalencyjne połączenia z DNA. Histony H2A, H2B, H3 i H4 tworzą oktamer (występują po dwa z każdego typu w każdym oktamerze), na który nawija się nić DNA. Taki kompleks histonów z DNA nosi nazwę nukleosomu. Piąty typ histonu, H1, występuje poza oktamerami pojedynczo, nawijający się na niego DNA nosi nazwę łącznikowego. Histon H1 jest najmniej konserwatywny i największy. Nukleosom i DNA łącznikowy z histonem H1 tworzą razem chromatosom. Skręcanie się wokół siebie takich podjednostek tworzy strukturę wyższego rzędu – solenoid. Z kolei wyższa spiralizacja prowadzi do powstania chromosomów. Chromosomy mają w środku rdzeń, zbudowany z białka topoizomerazy. U niektórych chromosomów (u człowieka 13,14,15,21,22) występuje, oprócz centromeru, drugie przewężenie, jest to przewężenie wtórne (inaczej organizator jąderkowy), gdzie zostaje zsyntetyzowany rRNA. Część chromosomu powyżej tego przewężenia nosi nazwę satelity.

Oprócz histonów z DNA wiążą się również białka niehistonowe, które są kwaśne. U prokariontów występują białka związane z DNA, ale nie histony.

DNA człowieka, po rozpleceniu ma długość około 2 metrów, składa się z około 3 mld par zasad, zawiera około 30 000 genów, jednak tylko około 2% DNA koduje białka.

¨      RNA – polimer nukleotydów (zasada azotowa + ryboza + reszta fosforanowa), ale nie występuje u nich tymina, jak w DNA, tylko uracyl (komplementarny do adeniny). Jest jednoniciowy (niektóre fragmenty tRNA są komplementarne względem siebie i tworzą dwuniciowe fragmenty, a także podwójne nici RNA spotyka się podczas tworzenia miRNA).

¨      mRNA – powstaje na matrycy DNA w procesie transkrypcji, stanowi matrycę do syntezy białek w procesie translacji. Pierwotny transkrypt zwie się heterogennym RNA (hnRNA), zawiera zarówno sekwencje kodujące białko (egzony), jak i te niekodujące w obrębie genu (introny). W procesie splicingu hnRNA podlega obróbce i powstaje mRNA będący matrycą.

¨      tRNA – transportuje aminokwasy do rybosomu, aby zostały one wykorzystane do syntezy białka w procesie translacji. Na końcu 3‘ cząsteczki zawiera sekwencję CCA, która na końcu ma wolną grupą hydroksylową, do której przyłącza się grupa karboksylowa aminokwasów, tworząc aminoacylo-tRNA. Reakcja ta jest endoenergetyczna (energia z ATP). W tej postaci aminoacylo-tRNA jest transportowany do rybosomu. tRNA zawiera również sekwencję antykodon, która jest komplementarna do kodonu kodującego określony aminokwas w mRNA. tRNA zawiera odcinki złożone z dwuniciowego RNA, co nadaje tRNA charakterystyczny kształt.

¨      rRNA – współtworzy, wraz z białkami, rybosomy. Pełni funkcje katalityczne w rybosomie – takie katalityczne RNA noszą nazwę rybozymów. Jest nim np. peptydylotransferaza.

¨      snRNA (małe jądrowe cząsteczki RNA) – cząsteczki RNA, będące rybozymami, odpowiadające za proces splicingu u eukariontów. Wraz z odpowiednimi białkami tworzą spliceosomy – kompleksy zaangażowane w proces splicingu.

¨      miRNA i siRNA – niewielkie cząsteczki RNA odpowiadające za wyciszanie ekspresji genów.

¨      7S RNA – RNA wchodzące w skład kompleksu SRP, biorącego udział w kierowaniu do światła siateczki śródplazmatycznej syntetyzowanego białka.

¨      Xist RNA – RNA biorące udział w tworzeniu się ciałka Barra u kobiet.

Kod genetyczny

¨      Jeden kodon (trzy nukleotydy) koduje jeden aminokwas (wyjątek – trzy aminokwasy nonsensowne będące sygnałem terminacji translacji). Jeden gen – odcinek kodujący jedno białko.

¨      Cechy kodu genetycznego: trójkowy (jeden kodon = 3 nukleotydy), jednoznaczny (jeden kodon wyznacza tylko jeden aminokwas), zdegenerowany (jeden aminokwas może być zapisany za pomocą kilku różnych kodonów; tylko metionina i tryptofan są kodowane każdy przez jeden kodon), bezprzecinkowy (pomiędzy kodonami nie ma żadnych znaków przestankowych ani wolnych nukleotydów), niezachodzący (kodon nie zachodzi na kolejny, istnieją jednak wyjątki od tej zasady – genomy niektórych wirusów), uniwersalny (obowiązuje jeden, taki sam sposób zapisu informacji w całym świecie ożywionym; wyjątek stanowi genom mitochondrialny, w którym istnieją odstępstwa od tej reguły, np. AGA nie koduje argininy, tylko jest kodonem STOP, a UGA koduje tryptofan zamiast być kodonem STOP; wyjątki istnieją również u niektórych protistów, gdzie UGA koduje kwas glutaminowy).

Replikacja DNA

¨      Proces jest katalizowany przez enzym polimerazę DNA. Rozpoczyna się w miejscach zwanych miejscami inicjacji replikacji, które są przez tą polimeraze rozpoznawane. U prokariontów występuje jedno takie miejsce, natomiast u eukariontów jest ich wiele w obrębie każdego chromosomu. Po rozpoznaniu miejsca inicjacji, następuje rozplecenie podwójnej helisy przez helikazę. Polimeraza DNA nie jest w stanie rozpoczynać nowej nici DNA – może jedynie dobudowywać nowe nukleotydy do istniejącej nici. Toteż enzym prymaza RNA syntetyzuje starter, czyli kilka początkowych nukleotydów, do których są dobudowywane kolejne nukleotydy przez polimerazę DNA w kierunku 5‘à3‘. (startery są nastepnie usuwane przez egzonukleazę i brakujące nukleotydy dobudowywuje inna polimeraza DNA). Energia do procesu replikacji DNA jest pozyskiwana z ATP, TTP, GTP i CTP, które są również źródłem nukleotydów w tym procesie. W procesie replikacji DNA bierze udział również topoizomeraza, która usuwa skręty nici DNA poprzez przerywanie i ponowne łączenie jednej nici. U prokariontów replikacja przebiega jednocześnie w dwie strony. Natomiast u eukariontów jedna nić (wiodąca) jest syntetyzowana w sposób ciągły, a druga (opóźniona) w wielu fragmentach, z których każdy rozpoczyna się osobnym starterem. Fragmenty te, zwane fragmentami Okazaki, są po procesie replikacji łączone ligazą. W przypadku nici opóźnionej końce chromosomów po procesie replikacji są narażone na skracanie po każdym cyklu. Zapobiegają temu telomery. Są to sekwencje na końcach chromosomów, które niczego nie kodują. Osłaniają one istotne fragmenty DNA, same się skracają, ale jest to bez znaczenia, ponieważ telomery niczego nie kodują. Dobudowywanie telomerów jest możliwe dzięki enzymowi telomerazie, która jest aktywna tylko w niektórych typach komórek (komórki linii płciowej, makrofagi, komórki nowotworowe – stąd zdolność do nieorganiczonych podziałów). Telomeraza jest złożona z części białkowej oraz RNA, na matrycy którego jest syntetyzowane DNA telomerów.

Transkrypcja

¨      Odbywa się w jądrze komórkowym, zachodzi w kierunku 5‘à3‘, matrycą jest niekodująca (matrycowa) nić DNA (nić kodująca ma sekwencję taką jak powstający RNA, tylko że zawiera T zamiast U). Może się tak zdarzyć, że w jednej nici niektóre odcinki są kodujące, inne niekodujące. W transkrypcji bierze udział enzym polimeraza RNA. Rozpoznaje ona sekwencję zwaną promotorem, po której się przesuwa do miejsca startu transkrypcji. W miejscu promotora ma miejsce rozplatanie nici DNA przed transkrypcją. Bardzo częstą sekwencją występującą w promotorach eukariontów jest kaseta TATA. Polimeraza RNA ma zdolność rozpoczynania nowej nici RNA, jednak w przypadku transkrypcji, inaczej niż w przypadku replikacji, nie ma specyficznych mechanizmów naprawy zsyntetyzowanej nici, gdyż transkrypt nie jest przekazywany potomnym komórkom i dokładność transkrypcji nie jest aż tak istotna jak replikacji. Do inicjacji transkrypcji potrzebna jest określona aktywność białek będących czynnikami transkrypcyjnymi. Wiążą się one z określonymi sekwencjami (wzmacniającymi lub osłabiającymi transkrypację, zwanymi enhancerami i silencerami). Synteza RNA odbywa aż do sekwencji terminatora transkrypcji. U prokariontów terminacja transkrypcji jest powodowana przez strukturę spinki do włosów terminatora lub przez białko rho. Energia do procesu transkrypcji jest pozyskiwana z ATP, UTP, GTP i CTP, które są również źródłem nukleotydów w tym procesie. Na intensywność procesu transkrypcji wpływa obecność określonych czynników transkrypcyjnych, a także stopień upakowania chromatyny (euchromatyna jest luźna i podlega transkrypcji, heterochromatyna jest ciasno upakowana i nie podlega transkrypcji).

¨      U eukariontów polimeraza RNA I syntetyzuje rRNA (transkrypt 45S rRNA, który zostaje podzielony na 28S, 18S i 5.8S rRNA), polimeraza RNA II – mRNA, snRNA, polimeraza RNA III – tRNA i 5S rRNA. Niedawno u roślin odkryto polimerazę RNA IV (syntetyzuje ona siRNA). U prokariontów występuje jedna polimeraza RNA złożona z wielu podjednostek.

¨      Obróbka RNA – zachodzi w jądrze komórkowym. W procesie splicingu następuje wycięcie intronów i połączenie ze sobą egzonów, a także dołączenie po stronie 5‘ RNA czapeczki (kap, jest to cząsteczka 7-metyloguanozyny) oraz po stronie 3‘ odcinka (ogona) poli-A (poliadenylacja RNA). Te modyfikacje przedłużają czas półtrwania RNA w komórce, a także kap umożliwia wiązanie się mRNA do rybosomu. U prokariontów nie występują introny w genach (z wyjątkiem archeanów), nie zachodzi splicing, a mRNA nie ma czapeczki ani ogona poli-A.

Translacja

¨      Zachodzi w cytoplazmie, na rybosomach. Rozpoczyna się od inicjacji, czyli złożenia ,,maszyny transkrypcyjnej“. Mała podjednostka rybosomu przyłącza mRNA (u prokariontów zachodzi to dzięki sekwencji Shine – Dalgarno w mRNA, u eukariontów dzięki czapeczce), następnie do kodonu AUG w mRNA dołącza się tRNA niosący metioninę (jest to aminokwas startowy podczas translacji wszystkich białek; jednak nie wszystkie białka zaczynają się od metioniny, ponieważ może ona zostać usunięta po translacji). U prokariontów aminokwasem startowym jest formylometionina (jednak u archeanów metionina). Następnie do takiego kompleksu dołącza się duża podjednostka rybosomu.

¨      Kolejnym etapem jest elongacja. Nowy aminoacylo-tRNA, który zawiera antykodon komplementarny do kodonu, jest dołączany do miejsca A (akceptorowego). Poprzedzający go aminoacylo-tRNA znajduje się wówczas w miejscu P. Pomiędzy tymi aminokwasami niesionymi przez te cząsteczki jest wtedy tworzone wiązanie peptydowe przez enzym peptydylotransferazę, będący rybozymem w dużej podjednostce rybosomu. Proces ten nie wymaga energii, gdyż energia została już zużyta na tworzenie aminoacylo-tRNA. Kolejnym etapem jest translokacja (wymagająca energii z GTP), w wyniku której nowo dołączony aminoacylo-tRNA przemieszcza się do miejsca P, a poprzedzający go do miejsca E (exit), gdzie rozdziela się na tRNA i aminokwas. Cykl rozpoczyna się następnie od nowa.

¨      Terminacja translacji – kiedy pojawi się kodon STOP (UGA, UAG, UAA), nie ma takiego tRNA, który by zawierał do niego antykodon, toteż wiąże on określony czynnik terminacji translacji. Rybosom rozpada się na podjednostki.

¨      Możliwa jest synteza jednocześnie kilku białek na matrycy jednego mRNA, powstają wtedy kompleksy mRNA i wielu rybosomów (polirybosomy lub polisomy). Występują one zarówno u eukariontów jak i u prokariontów.

¨      mRNA prokariontów jest policistronowy (jedna cząsteczka uczestniczy w translacji kilku białek), a eukariontów monocistronowy (jedna cząsteczka uczestniczy w translacji jednego białka).

Ekspresja genów

¨      Operony – występują u prokariontów (stwierdzono również ich obecność u niektórych niecieni, jednak mają one trochę inny charakter niż prokariotyczne). Składają się z genów kodujących kilka białek, podlegających tej samej regulacji ekspresji i są równocześnie transkrybowane. Składają się ze wspólnego promotora, operatora, do którego przyłącza się białko represor hamujące transkrypcję genu, a także z genów strukturalnych (w przypadku operonu laktozowego, gen represora znajduje się w pobliżu genów strukturalnych).

¨      Operon laktozowy – geny strukturalne: galaktozydazy, permeazy, transacetylazy, umożliwiają metabolizm laktozy. Podczas, gdy laktoza nie jest obecna w środowisku, w którym przebywają, operon jest nieaktywny (co ogranicza niepotrzebne wydatki energetyczne). Wówczas represor jest związany z sekwencją operatora, co uniemożliwia polimerazie RNA katalizę procesu transkrypcji. Jednak, kiedy laktoza znajduje się w środowisku bakterii, łączy się ona z represorem, zmieniając jego konformację (jako allolaktoza), co powoduje odłączenie się represora od operatora i syntezę białek operonu. Kiedy laktoza zostanie już wykorzystana, represor staje się znów aktywny, wiąże się w operatorem i geny przestają być transkrybowane. Operon laktozowy jest przykładem negatywnej kontroli transkrypcji (àobecność represora), jest operonem indukowanym (laktoza pełni funkcję jego induktora).

¨      Operon tryptofanowy – zawiera geny kodujące enzymy uczestniczące w syntezie tryptofanu. Jest on zazwyczaj aktywny w komórce, a jego wolny represor jest odłączony od operatora i nie blokuje transkrypcji genów strukturalnych. Kiedy w komórce znajduje się dużo tryptofanu powstałego przy udziale białek operonu, tryptofan wiąże się z represorem, zmieniając jego konformację, w wyniku czego represor wiąże się z operatorem i geny nie są transkrybowane. Z kolei kiedy zawartość tryptofanu znów się obniży, represor ponownie zostaje uwolniony. Operon tryptofanowy jest przykładem negatywnej kontroli transkrypcji (àobecność represora), jest operonem reprymowanym (tryptofan pełni funkcję korepresora).

¨      Regulacja pozytywna – operon laktozowy może być aktywny tylko wtedy, kiedy dla komórki jest dostępna laktoza, ale nie jest dostępna glukoza, wymagająca mniejszych nakładów energetycznych w metabolizmie. Niska zawartość glukozy powoduje bowiem podwyższenie poziomu cAMP w komórce, co z kolei powoduje aktywację białek aktywujących geny kataboliczne (CAP), które wiążą się z DNA, nadając mu konformację, dzięki której wiąże się on z polimerazą RNA. Regulacja jest pozytywna, gdyż białka CAP aktywują transkrypcję genów.

¨      Regulacja ekspresji genów u eukariontów: obecność czynników transkrypcyjnych (białek, wiążących się ze specyficznymi sekwencjami DNA, wzmacniającymi bądź wyciszającymi ekspresję genów; czynniki transkrypcyjne mogą być aktywowane lub dezaktywowane przez ich fosforylację à przez kinazy, lub defosforylację à przez fosfatazy. W białkach będących czynnikami transkrypcyjnymi występują specyficzne motywy białkowe: helisa-skręt-helisa, helisa-pętla-helisa, motyw palca cynkowego, suwaka leucynowego, powstałego przez wiązania hydrofobowe pomiędzy hydrofobowymi rejonami aminokwasów, a także motyw domeny zasadowej, z zasadowych aminokwasów), epigenetyka (stopień rozluźnienia chromatyny), alternatywne składanie egzonów (egzony mogą być połączone w procesie splicingu na kilka sposobów, co skutkuje wytworzeniem spokrewnionych ze sobą, ale różnych białek), tasowanie egzonów (łączenie egzonów należących do różnych genów), alternatywne przyłączanie ogona poli-A (jeśli zostanie on przyłączony we wcześniejszym miejscu niż koniec mRNA, część mRNA za ogonem zostanie zdegradowana i powstanie krótsze białko), amplifikacja genów (geny rRNA i histonów są w komórce zwielokrotnione, występują w wielu kopiach).

Najważniejsze terminy w genetyce

¨      Gen - odcinek DNA kodujący jedno białko (lub jedną cząsteczkę tRNA lub rRNA).

¨      Allel - odmiana genu wywołująca różną postać tej samej cechy. Osobniki diploidalne posiadają po dwa allele genu w komórkach somatycznych i po jednym allelu w komórkach rozrodczych. Allel może być d...