Genetyka ogólna

Ekspresja genu

  • Ekspresja genu dotyczy procesów, które prowadzą do translacji informacji genetycznej zawartej w DNA na białka.
    Biosynteza białka - proces, w którym informacja z genu jest wykorzystywana do stworzenia białka.

Cykl komórkowy i jego regulacja

Definicja cyklu komórkowego

  • Cykl komórkowy to seria zdarzeń w dzielącej się komórce eukariotycznej, prowadząca do jej podziału.

  • Zdarzenia można podzielić na dwie główne okresy:

    • Interfaza – okres wzrostu komórki, gromadzenia składników odżywczych, przygotowania do mitozy i podziału DNA.

    • Faza mitotyczna (M) – okres, w którym komórka dzieli się na dwie komórki potomne.

  • Cykl komórkowy jest niezbędny do rozwoju organizmu z zygoty, oraz do odnawiania tkanek takich jak skóra, włosy, komórki krwi, i narządy wewnętrzne.

Etapy cyklu komórkowego

  • Diagram cyklu komórkowego przedstawia:

    • INTERFAZA

    • MITOZA

    • Faza G1 (żółty)

    • Faza S (czerwony)

    • Faza G2 (zielony)

  1. Faza G1

    • Czas trwania: kilka do kilkunastu godzin.

    • Zachodzi między końcem cytokinezy a początkiem syntezy DNA.

  2. Faza S (synthesis)

    • U ssaków trwa około 7 godzin.

    • zachodzi replikacja DNA oraz synteza histonów.

  3. Faza G2

    • Czas trwania: od końca syntezy białek do początku mitozy.

    • Powstaje tubulina, która jest składnikiem wrzeciona podziałowego.

  4. Faza M

    • Mitoza trwa około 1 godziny.

Kontrola cyklu komórkowego

  • Przebieg cyklu komórkowego jest regulowany przez układ kontroli, który aktywuje enzymy i inne białka potrzebne na każdym etapie cyklu.

  • Wyróżnia się cztery kluczowe stadia: fazy G1, S, G2, M.

  • Cykliny - białka regulujące procesy podziału komórkowego.

    • Poziom cyklin D, A, E, i B rośnie w miarę przechodzenia komórki przez fazy G1, G2, i S.

    • Cykliny łączą się z kinazami białkowymi (cdk), aktywując je.

    • Istnieją również inhibitory kinaz cyklinozależnych (cdki).

Regulacja cyklu komórkowego

  • Różne elementy kontrolne zapobiegają niekontrolowanym podziałom komórkowym, wykrywając i naprawiając materiał genetyczny.

  • Aktywność cyklin i kinaz CDK jest kluczowa dla postępu cyklu.

    • Cykliny (regulatorowe) i CDKs (katalityczne) formują aktywne heterodimery.

    • Cykliny działają jako aktywatory, a CDKs są nieaktywne bez cyklin.

    • CDKs aktywują procesy fosforylacji innych białek.

    • Komórka wchodzi w następne fazy cyklu tylko po skoordynowanej aktywacji białek.

Replikacja DNA

Elementy składowe DNA

  • Zasady azotowe dzielą się na:

    • Pirymidyny

    • Puryny

  • Zmienne elementy podwójnej helisy zawierają zasady azotowe, natomiast reszta nukleotydu tworzy rdzeń cukrowo-fosforanowy.

Model semikonserwatywnej replikacji DNA

  • Podczas replikacji DNA widełki replikacyjne przesuwają się w obu kierunkach od miejsca początku replikacji.

  • Replikacja ma miejsce w wielu lokalizacjach jednocześnie w chromosomie eukariotycznym.

Białka uczestniczące w replikacji

  1. Helikaza - rozwija podwójną helisę DNA.

  2. Białka stabilizujące pojedyncze pasma DNA.

  3. Topoizomeraza - rozkręca spirale DNA, przecina je w przypadku naprężeń i naprawia podwójne złamania bez użycia energii.

  4. Prymaza (polimeraza RNA) - syntetyzuje primer RNA, inicjujący replikację.

  5. Nukleazy - usuwają primery po ich wykorzystaniu.

  6. Polimerazy replikacyjne - budują polimer DNA, mają zdolności redagowania DNA.

  7. Ligazy - łączą fragmenty Okazaki, wymagają energii z ATP, katalizują powstawanie wiązań fosfodiestrowego.

  8. Naprawcza polimeraza DNA - uzupełnia fragmenty DNA wycięte przez nukleazy.

  9. Telomeraza - katalizuje powstawanie sekwencji RNA do których polimeraza DNA przyłącza sekwencję powtarzalną.

Szybkość replikacji

  • Różne organizmy mają różne szybkości replikacji:

    • Płazy: 500 nk/min (8 nk/s)

    • Ssaki: 2200 nk/min (37 nk/s)

    • Drożdże: 3600 nk/min (60 nk/s)

    • Bakterie: 50000 nk/min (833 nk/s)

  • Stosunek szybkości replikacji prokariontów do eukariontów wynosi 23:1 do 24:1.

Ekspresja genu w prokariotach i eukariotach

  • W prokariontach brak intronów i splicingu, zamiast tego organizacja genów w operony.

Rola biologiczna jąderka

  • Jąderko to ultraelement jądra, odpowiedzialny za syntezę rRNA, stanowi również zagęszczenie chromatyny.

  • Jąderko zanika w trakcie podziału komórkowego, ponieważ chromosomy ulegają kondensacji.

  • Organizacja jąderka przez obszary NOR, które zawierają powtarzające się sekwencje kodujące rRNA.

  • Jąderko nie jest obłonione, charakteryzuje się głównie obecnością białek, RNA oraz DNA.

Typy RNA

  1. mRNA - w jądro i cytoplazma, transportujące informacje genetyczne z kodującym DNA, 1% całkowitego RNA.

  2. tRNA - cytoplazma, przekształca aminokwasy w odpowiednie dla mRNA, około 40 typów.

  3. rRNA - rybosomy oraz jąderka, około 80% całkowitego RNA, modyfikowane w jąderkach.

  4. HnRNA - prekursory mRNA, dużej masie cząsteczkowej.

Funkcje regulatorowe RNA

  • miRNA - regulowana ekspresja genów, od 21 do 23 nukleotydów, biorą udział w wyciszaniu RNA (RNAi).

  • siRNA - dwuniciowa RNA, działa w RNAi, degraduje komplementarny mRNA.

  • piRNA - klasa małych, niekodujących cząsteczek RNA, zaangażowanych w epigenetyczne wyciszanie.

  • snoRNA - kierują chemicznymi modyfikacjami innych RNA.

  • lncRNA - klasa cząsteczek RNA, nieposiadających zdolności kodowania.

  • eRNA - transkrybowane z enhancerów, regulują transkrypcję.

  • ceRNA - konkurują o mikromRNA, zmiany w ich ekspresji wpływają na inne RNA.

Ekspresja genu - etapy

Transkrypcja

  • Pasma DNA: kodujące i matrycowe, ze wzorami:

    • Kodujące: 5’ - TGG AAT TGT GAG CGG ATA ACA ATT TCA -3’

    • Matrycowe: 3’ - ACC TTA ACA CTC GCC TAT TGT TAA AGT -5’

  • Transkrypt mRNA: 5’- AAU UGU GAG CGG AUA ACA AUU UCA AUG-3’

Splicing i formowanie rybosomów

  • Szereg procesów, w tym eksponowanie egzonów i intronów, prowadzących do utworzenia dojrzałego mRNA.

  • Składanie rybosomów odbywa się z białek oraz rRNA.

Morfologia rybosomów

  • Rybosomy składają się z małej i dużej podjednostki.

  • Duża podjednostka: zbudowana z białek i rRNA z adenina 2486 w centrum aktywnym.

Przebieg translacji

  • Antykodon tRNA łączy się z kodonem mRNA, ścisłe powiązanie z aminokwasami prowadzi do syntezy białka.

  • Wytwarzane są wiązania peptydowe między aminokwasami.

Pytania kontrolne

  1. Jaka jest rola cyklu komórkowego w funkcjonowaniu komórek?

  2. Jakie są różnice w budowie genomów prokariotycznych i eukariotycznych?

  3. Jakie są etapy biosyntezy białka w komórkach eukariotycznych?

  4. Co to jest jąderko i jaką pełni funkcję?