Biochemia - kwasy nukleinowe - DNA, RNA, budowa i funkcje + mutacje i choroby genetyczne, Notatki z Biochemia medyczna

Pobierz Biochemia - kwasy nukleinowe - DNA, RNA, budowa i funkcje + mutacje i choroby genetyczne i więcej Notatki w PDF z Biochemia medyczna tylko na Docsity!

DNA - kwas deksyrybonukleinowy - nośnik informacji genetycznej, znajduje się w jądrze komórkowym, mitochondriach i chloroplastach u roślin. RNA - kwas rybonukleinowy - bierze udział w syntezie białka i regulacji transkrypcji. Jest polimerem zbudowanym z dwóch łańcuchów utworzonych z deoksyrybonukleotydów.

DNA

Budowa nukleotydów DNA Zasady pirymidynowe Zasady purynowe Cytozyna Tymina Guanina Adenina Grupa hydroksylowa znajdująca się przy piątym atomie węgla deoksyrybozy połączona jest wiązaniem estrowym z resztą kwasu fosforowego , która może tworzyć wiązanie z kolejną resztą kwasu fosforowego. W nukleotydzie mogą znajdować się maksymalnie 3 reszty kwasu fosforowego (a minimalnie jedna). Jeżeli grupa hydroksylowa nie jest związana z resztą kwasu fosforowego a cząsteczka cukru połączona jest z jedna z zasad azotowych to związek taki nazywamy nukleozydem. Wiązanie N-glikozydowe - wiązanie węgla z jedną z zasad azotowych Zasada azotowa Pięciowęglowy cukier Reszta fosforanowa

N

M o M HN N (^) I T

OH H

Nukleotydy w łańcuchu polinukleotydowym DNA są ze soba połączone za pomocą wiązań 5’3’-fosfodiestrowych

5’ oznacza że reszta kwasu fosforowego przy piątym atomie węgla deoksyrybonukleotydu tworzy wiązanie estrowe z grupą hydroksylową znajdującą się przy 3 atomie węgla w sąsiedniego deoksyrybonukleotydu. 3’ odnosi się do grupy hydroksylowej związanej z trzecim atomem węgla cząsteczki deoksyrybozy, która tworzy wiązanie z resztą kwasu fosforowego.

W pojedynczym łańcuchu polinukletydowym DNA na końcu 5’ znajduje się niezwiązana reszta kwasu fosforowego przy piątym atomie węgla deoksyrybonukleotydu a na końcu 3’ jest wolna grupa hydroksylowa znajdująca się przy trzecim atomie węgla ostatniego nukleotydu. DNA jest dwuniciowe (dwa łańcuchy polinukleotydowe połączone wieloma wiązaniami wodorowymi ). Wiązania wodorowe powstają między zasadami purynowymi i pirymidynowymi sąsiednich łańcuchów na zasadzie komplementarności. Struktura podwójnej helisy DNA Ze względu na skręcenie helisy obie nici DNA nie są dokładnie naprzeciwległe w związku z tym wyróżnia się dwie bruzdy zwane małą bruzdą i dużą bruzdą. Łańcuchy biegną antyrównolegle co oznacza, że przy końcu 5’ jednego z łańcuchów znajduje się zawsze koniec 3’ drugiego łańcucha. Na jeden pełny obrót helisy przypada 10 par zasad. AT G C

Organizacja DNA w jądrze komórkowym

U organizmów prokariotycznych (nie posiadają jądra komórkowego) kompleks DNA i białka tworzy rodzaj splatanego kłębka występującego w pewnym obszarze cytoplazmy. U eukariontów (posiadają jądra komórkowe) DNA tworzy kompleks z białkami i wykazuje wysoki stopień organizacji w jądrze komórkowym. Podwójna helisa DNA + białko histonowe = chromatyna Nukleosom - powtarzająca się jednostka strukturalna chromatyny Nukleosom zbudowany jest z rdzenia białkowego składającego się z ośmiu podjednostek histonowych , które tworzą ściśle przylegający do siebie oktamer , na który nawinięte jest DNA o długości 147 par zasad. Każda cząsteczka nukleosomu połączona jest DNA łącznikowym składających się z ok. 50 par zasad. Wyróżnia się dwa rodzaje chromatyny:

• heterochromatyna - bardzo ścisłe upakowanie, nie zawiera genów lub zawiera geny nieaktywne transkrypcy jnie
• euchromatyna - luźno upakowana, ponieważ zawiera geny aktywne transkrypcy jnie Ściśłe upakowanie DNA pozwala zmieścić cały materiał genetyczny oraz stanowi dodatkowe zabezpieczenie w procesie replikacji i transkrypcji. Chromatyna występuje w jądrze komórkowym , gdy komórka nie ulega podziałowi. Przed podziałem komórkowym tworzy formę bardziej skondensowaną - zwija się bardzo ciasno i tworzy solenoid. Solenoid przechodzi do formy bardziej upakowanej ( supersolenoid ), z której zbudowana jest pętla solenoidu ( domena ). Z domen zbudowana jest chromatyda a z dwóch siostrzanych chromatyd powstaje chromosom podczas metafazy w trakcie podziału komórkowego. Zmiany struktury chromatyny są wprowadzane w ściśle uporządkowany sposób.

Gen jest jednostką informacji, która odpowiada określonemu segmentowi DNA kodującemu aminokwasową sekwencją polipeptydu lub białka. Każdy gen zajmuje określone stałe miejsce w chromosomie ( locus ). Analiza i mapowanie genów mogą być pomocne w diagnozowaniu chorób i wyborze właściwej terapii, zwłaszcza w przypadku pacjentów u których istnieje podejrzenie występowania rzadkiej choroby genetycznej lub nowotworowej. Procesy zachodzące z udziałem kwasów nukleinowych Proces poprzedzający podział komórkowy, podczas którego z jednej dwuniciowej macierzystej cząsteczki DNA powstają dwie potomne cząsteczki DNA. Każda potomna cząsteczka DNA posiada jedną nić macierzystą i drugą zsyntetyzowaną od nowa na zasadzie komplementarności. Z tego powodu proces ten jest tzw. Semikonserwatywnym. Cykl biologiczny komórki Faza G - komórka dojrzewa i pełni swoje funkcje życiowe i biologiczne. Faza S - po osiągnięciu odpowiedniego wieku komórka somatyczna przygotowuje się do podziału. W tym celu następuje podwojenie materiału genetycznego Faza G - zachodzą w niej mechanizmy przygotowujące komórkę do podziału Faza M - w niej dochodzi do podziału komórki macierzystej na dwie potomne komórki Replikacja DNA Różne fragmenty DNA ulegają replikacji w różnym czasie i miejscach. Etapy replikacji

- inicjacja - zapoczątkowanie syntezy nowego łańcucha DNA - elongacja - wydłużanie nowosyntetyzowanego łańcucha DNA - terminacja - zakończenie replikacji 1 2

W procesie replikacji kluczowe rolę odgrywają takie enzymy jak:

• topoizomeraza 1 i 2 - uczestniczy we wszystkich procesach związanych z rozplataniem komplementarnych nici DNA
• helikaza - rozdziela pary zasad w podwójnej cząsteczce DNA, dzięki czemu dochodzi do rozplatania podwójnej helisy i umożliwienie działania polimerazy
• polimeraza DNA - katalizuje dobudowanie kolejnych nukleotydów do nowej, syntetyzowanej nici DNA
• ligaza - wraz z ATP łączy fragmenty nici opóźnionej tzw. fragmenty Okazaki Podczas replikacji DNA następuje rozdzielenie dwóch komplementarnych nici. Miejsce rozdzielenia nazywa się widełkami replikacy jnymi. Nowe nici są syntetyzowane zawsze w kierunku od końca 5’ do 3’. Jak widać na obrazku nowa nić DNA syntetyzowana na zasadzie komplementarności zasad względem nici macierzystej od jej końca 3’ jest syntetyzowana w sposób ciągły i nazywana jest nicią wiodącą. Synteza nici potomnej oznaczonej na rysunku niebieskim kolorem względem nici macierzystej, której koniec stanowi 5’ rozpoczyna się w środku widełek replikacy jnych i odbywa się w formie krótkich fragmentów ( fragmentów Okazaki ). Fragmenty te ulegają połączeniu z udziałem ligazy. Syntetyzowana w ten sposób nić potomna nazywana jest nicią opóźnioną.

W procesie transkrypcji powstaje tzw. Pierwotny transkrypt - pre-mRNA - który w jądrze komórkowym ulega wieloetapowym zmianom posttranskrypcy jnym określanym jako dojrzewanie. Podczas dojrzewania pierwotnego transkryptu z cząsteczki pre-mRNA zostają usunięte niekodujące sekwencje nukleotydowe nazywane intronami. Pozostają tylko sekwencje kodujące tzw. egzony/ eksony , które ulegają sklejeniu tworząc łańcuch dojrzałego mRNA. Zmiany posttranskrypcy jne RNA Proces wycinania intronów i sklejania egzonów nazywany jest splicingiem. Cząsteczka dojrzałego mRNA jako nośnik informacji genetycznej służącej bezpośrednio do syntezy białka opuszcza jądro komórkowe i przemieszcza się do rybosomów, gdzie uczestniczy w procesie translacji. Obróbka pierwotnych transkryptów może służyć do regulacji ekspresji informacji genetycznej - obecność intronów umożliwia wykorzystywanie alternatywnych miejsc składania genów oraz usuwania i duplikacji egzonów przyczyniając się do powiększenia zasobów informacji genetycznej. Ekspresja genów Sposób, w jaki informacja genetyczna zakodowana w cząsteczka DNA w postaci sekwencji zasad zostaje odkodowana i wykorzystana do syntezy białka. Proces ten polega na syntezie komplementarnej cząsteczki mRNA do sekwencji zasad w nici matrycowej DNA, w której sekwencja nukleotydów decyduje o strukturze I-rzędowej białka. Następnie dochodzi do syntezy białka o właściwej sekwencji aminokwasów zakodowanej w DNA i przepisanej na mRNA.

Aminokwasy są kodowane przez triplety zasad - kodony. Jest ich 64. Kod genetyczny - reguła wg której informacja genetyczna zawarta w sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA ulega przetłumaczeniu na kolejność aminokwasów w białkach. Cechy kodu genetycznego:

• Uniwersalny (takie same kodony kodują identyczne aminokwasy we wszystkich organizmach żywych)
• Trójkowy (triplet zasad koduje jeden aminokwas)
• Jednoznaczny (każdemu kodonowi odpowiada jeden aminokwas)
• Zdegenerowany (jeden aminokwas może być kodowany przez kilka kodonów)
• Niezachodzący/bezprzecinkowy (trzy zasady kodują jeden aminokwas)
• Kolinearny (liniowemu ułożeniu kodonów odpowiada liniowy układ aminokwasów w strukturze I-rzędowej białka)

Mutacje punktowe - zamiana pojedynczego nukleotydu na inny, usunięcie lub wstawienie dodatkowego nukleotydu w łańcuchu DNA. Zmiany takie przekładają się na zmianę informacji genetycznej, a więc na syntezę białka o nieprawidłowej sekwencji aminokwasów. Mutacja punktowa jest m.in. przyczyną postępującego kostniejącego zapalenia mięśni. Dochodzi tutaj do zamiany argininy na histydynę w łańcuchu białkowym receptora występującego w komórkach mięśni i chrząstek. Receptor ten uczestniczy w tworzeniu tkanki kostnej. Wywołana przez mutacje zmiana struktury I-rzędowej białka powoduje zmianę konformacji receptora, która uniemożliwia wiązanie tego receptora z jego naturalnym inhibitorem a to z kolei prowadzi do nieustającego kostnienia tkanki łącznej i deformacji całego ciała.

Anemia sierpowata

Pierwszym objawem choroby jest płacz dziecka przypominający miauczenie kota - jest to wynikiem nieprawidłowo zbudowanej krtani oraz nagłośni. Inne poważne objawy: zmiana budowy twarzoczaszki, problemy z układem pokarmowym oraz opóźniony rozwój motoryczny i umysłowy.

Przyczyną chorób genetycznych może być też aneuploidia - polega ona na zaburzeniu prawidłowego zestawu chromosomów we wszystkich komórkach somatycznych organizmu. Do tej grupy zaburzeń należą:

• zespół Turnera - występuje tylko u kobiet; 45 chromosomów w tym jeden chromosom X
• zespół Klinefeltera - występuje tylko u mężczyzn; 47 chromosomów, w tym dwa chromosomy X i jeden Y
• zespół Jacoba - występuje wśród mężczyzn; 47 chromosomów, w tym jeden X i dwa Y Objawami w aneuploidii w wymienionych zespołach jest: bezpłodność, zaburzenia popędu płciowego, zmienione proporcje ciała.

Metylowane cytozyny są rozpoznawane przez grupy białek wiążących odpowiednie deacetylazy. Następująca w tym miejscu deacetylacja histonów powoduje utworzenie się zbitej, nieaktywnej struktury chromatyny. Metylowanie nukleotydu uniemożliwia także przyłączenie się do niego czynników transkrypcy jnych. Metylacja DNA jest więc kluczowym procesem warunkującym różnicowanie się komórek u wyższych organizmów - umożliwia specjalizację komórek przy ich jednoczesnym zaopatrzeniu w uniwersalną informację genetyczną, dzięki temu odgrywa bardzo ważną rolę w procesie embriogenezy. Różne typy komórek mają swój własny wzór metylowania DNA z czym wiąże się ekspresja specyficznych białek typowych dla konkretnych tkanek i narządów. Podczas podziałów komórkowych właściwy wzór metylowania zostaje zachowany i przekazany komórkom potomnym

Zaburzenia piętnowania rodzicielskiego są związane z powstawaniem chorób genetycznych i zmian nowotworowych. Istota tego procesu polega na tym, aby z pary allelu odziedziczonych od rodziców ekspresji ulegał tylko jeden określony allel. U ludzi zidentyfikowano ok. 40 genów ulegających piętnowaniu. Mechanizm piętnowania polega na metylowaniu cytozyny w DNA w wyniku czego geny z obszaru metylowania stają się nieaktywne. Imprinting zachodzi podczas gametogenezy.