Genetyka molekularna
Ekspresja genów i jej regulacja
DNA i RNA — budowa nośników informacji
Nukleotyd składa się z pentozy, reszty fosforanowej i zasady azotowej. Nukleotydy w jednej nici łączą się wiązaniami fosfodiestrowymi, tworząc kierunkowy szkielet cukrowo-fosforanowy z końcami 5′ i 3′.
Dwie nici DNA są antyrównoległe i komplementarne. Adenina łączy się z tyminą dwoma wiązaniami wodorowymi, a guanina z cytozyną trzema. Komplementarność umożliwia wierną replikację i naprawę DNA.
RNA zwykle jest jednoniciowy, zawiera rybozę i uracyl. mRNA przenosi informację, tRNA dostarcza aminokwasy, rRNA współtworzy rybosom, a liczne małe RNA uczestniczą w regulacji ekspresji genów.
- W DNA występuje deoksyryboza, w RNA — ryboza.
- W DNA adenina paruje z tyminą, w RNA podczas parowania — z uracylem.
- Sekwencja zasad, a nie kolejność reszt fosforanowych, niesie informację genetyczną.
- Nić jest wydłużana przez dołączanie nukleotydu do końca 3′.
Schemat: DNA i RNA — budowa nośników informacji
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: XIII.1
Organizacja komórki i funkcje organelli
Kompartmentacja rozdziela reakcje w przestrzeni i pozwala utrzymywać odmienne warunki w organellach. Jądro przechowuje DNA, rybosomy syntetyzują białka, RER modyfikuje białka wydzielnicze i błonowe, a aparat Golgiego je sortuje.
Mitochondria i chloroplasty mają podwójną błonę, koliste DNA, rybosomy podobne do bakteryjnych i dzielą się przez przewężenie. Cechy te wspierają teorię ich endosymbiotycznego pochodzenia.
Lizosomy zawierają hydrolazy działające w kwaśnym środowisku, peroksysomy utleniają wybrane substraty i rozkładają H₂O₂, a wakuola roślinna magazynuje substancje i utrzymuje turgor.
- Otoczka jądrowa jest ciągła z siateczką śródplazmatyczną.
- Rybosomy 80S występują w cytozolu eukariontów, a 70S m.in. u bakterii i w organellach półautonomicznych.
- RER jest szczególnie rozwinięte w komórkach intensywnie wydzielających białka.
- SER uczestniczy w syntezie lipidów, detoksykacji i magazynowaniu Ca²⁺.
Schemat: Organizacja komórki i funkcje organelli
Najważniejsze elementy budowy i ich funkcje.
Podstawa programowa: XIII.6
Replikacja i ekspresja informacji genetycznej
Replikacja DNA jest semikonserwatywna: każda nowa cząsteczka zawiera jedną nić starą i jedną nową. Helikaza rozplata DNA, prymaza syntetyzuje startery, a polimeraza wydłuża nową nić wyłącznie w kierunku 5′→3′.
W transkrypcji polimeraza RNA wykorzystuje jedną nić DNA jako matrycę. U eukariontów pre-mRNA jest modyfikowany: otrzymuje czapeczkę 5′, ogon poli(A), a introny są usuwane podczas splicingu.
Rybosom odczytuje kodony mRNA, a tRNA dopasowuje antykodon i dostarcza aminokwas. Kod jest trójkowy, zdegenerowany, jednoznaczny dla danego kodonu i niemal uniwersalny.
- Nić wiodąca powstaje ciągle, opóźniona — fragmentami Okazaki.
- Kodon START AUG koduje metioninę i ustala ramkę odczytu.
- Kodony STOP nie mają odpowiadającego tRNA.
- Alternatywny splicing pozwala wytwarzać różne warianty białka z jednego genu.
Schemat: Replikacja i ekspresja informacji genetycznej
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: XIII.7
Bakterie i archeowce: budowa, metabolizm i zmienność
Komórka prokariotyczna nie ma jądra otoczonego błoną ani typowych organelli błoniastych. DNA znajduje się w nukleoidzie, a dodatkowe geny mogą występować w plazmidach.
Ściana bakterii zawiera mureinę. Bakterie Gram-dodatnie mają grubą warstwę mureiny, a Gram-ujemne cienką warstwę i błonę zewnętrzną z lipopolisacharydem, co wpływa na barwienie i wrażliwość na leki.
Zmienność zwiększają mutacje oraz horyzontalny transfer genów: transformacja przez pobieranie DNA, transdukcja z udziałem bakteriofaga i koniugacja wymagająca kontaktu komórek.
- Bakterie mogą być foto- lub chemoautotrofami oraz heterotrofami.
- Endospora jest formą przetrwalną, nie sposobem rozmnażania.
- Archeowce różnią się m.in. składem błon i brakiem mureiny.
- Antybiotyki działające na bakterie nie leczą infekcji wirusowych.
Schemat: Bakterie i archeowce: budowa, metabolizm i zmienność
Najważniejsze elementy budowy i ich funkcje.
Podstawa programowa: XIII.1
Najczęstsze błędy
„Wiązania wodorowe łączą nukleotydy wzdłuż jednej nici DNA”
Poprawnie: Wzdłuż nici występują kowalencyjne wiązania fosfodiestrowe; wiązania wodorowe łączą komplementarne zasady dwóch nici.
„Każda komórka eukariotyczna ma jądro”
Poprawnie: Dojrzałe erytrocyty ssaków i człony rurek sitowych są przykładami wyspecjalizowanych komórek bez jądra.
„Mitochondria są całkowicie niezależne od jądra”
Poprawnie: Mają własne DNA, lecz większość ich białek jest kodowana w jądrze i importowana z cytozolu.
„Polimeraza DNA wydłuża nić w obu kierunkach”
Poprawnie: Nukleotydy są dołączane do końca 3′, więc synteza zawsze biegnie 5′→3′.
Zadania z odpowiedziami
1. Nić komplementarna
Zapisz nić komplementarną i antyrównoległą do sekwencji 5′-AAGCT-3′.
- 1.Dobierz komplementarne zasady.
- 2.Uwzględnij antyrównoległość nici.
- 3.Zapisz kierunki obu końców.
Odpowiedź
Nić komplementarna ma zapis 3′-TTCGA-5′. Po zapisaniu jej w kierunku 5′→3′ otrzymujemy 5′-AGCTT-3′.
2. Komórka wydzielnicza
Wskaż organelle szczególnie rozwinięte w komórce produkującej i wydzielającej enzym białkowy.
- 1.Określ miejsce syntezy białka.
- 2.Wskaż drogę modyfikacji i sortowania.
- 3.Dodaj organellum dostarczające ATP.
Odpowiedź
Rozwinięte są rybosomy i RER, aparat Golgiego, pęcherzyki wydzielnicze oraz mitochondria. Białko przechodzi szlakiem RER → Golgi → pęcherzyki → błona.
3. Od DNA do peptydu
Dla nici matrycowej DNA 3′-TAC CCG ATT-5′ zapisz mRNA i aminokwasy, zakładając standardowy kod.
- 1.Zapisz komplementarne mRNA w kierunku 5′→3′.
- 2.Podziel sekwencję na kodony.
- 3.Odczytaj kodony z tabeli kodu genetycznego.
Odpowiedź
mRNA: 5′-AUG GGC UAA-3′. Translacja rozpoczyna się od metioniny, następnie dołączana jest glicyna, a UAA kończy translację.
4. Oporność na antybiotyk
Wyjaśnij, dlaczego stosowanie antybiotyku może zwiększać udział bakterii opornych.
- 1.Wskaż istniejącą zmienność populacji.
- 2.Określ czynnik selekcyjny.
- 3.Porównaj przeżycie i rozmnażanie bakterii wrażliwych i opornych.
Odpowiedź
Antybiotyk eliminuje głównie bakterie wrażliwe. Bakterie z allelem oporności częściej przeżywają i rozmnażają się, dlatego częstość tego allelu rośnie.
Podsumowanie
- W DNA występuje deoksyryboza, w RNA — ryboza.
- W DNA adenina paruje z tyminą, w RNA podczas parowania — z uracylem.
- Nukleotyd składa się z pentozy, reszty fosforanowej i zasady azotowej. Nukleotydy w jednej nici łączą się wiązaniami fosfodiestrowymi, tworząc kierunkowy szkielet cukrowo-fosforanowy z końcami 5′ i 3′.
- Otoczka jądrowa jest ciągła z siateczką śródplazmatyczną.
- Rybosomy 80S występują w cytozolu eukariontów, a 70S m.in. u bakterii i w organellach półautonomicznych.
- Kompartmentacja rozdziela reakcje w przestrzeni i pozwala utrzymywać odmienne warunki w organellach. Jądro przechowuje DNA, rybosomy syntetyzują białka, RER modyfikuje białka wydzielnicze i błonowe, a aparat Golgiego je sortuje.
- Nić wiodąca powstaje ciągle, opóźniona — fragmentami Okazaki.
Słownik pojęć
- Nukleotyd
- Monomer kwasów nukleinowych złożony z cukru, fosforanu i zasady.
- Antyrównoległość
- Przeciwny kierunek przebiegu dwóch nici DNA.
- Komplementarność
- Swoiste parowanie zasad według reguł A–T(U) i G–C.
- Kompartmentacja
- Podział wnętrza komórki na przedziały o różnych funkcjach i warunkach.
- Organelle półautonomiczne
- Mitochondria i chloroplasty mające część własnego aparatu genetycznego.
- Endosymbioza
- Trwałe współżycie, w którym jeden organizm żyje wewnątrz drugiego.
- Semikonserwatywność
- Każda potomna cząsteczka DNA zawiera jedną nić rodzicielską.
- Kodon
- Trójka nukleotydów mRNA określająca aminokwas lub sygnał STOP.