DNA - nosiciel informacji
Właściwość wszystkich żywych organizmów -to odtwarzana złożoność. Żywe organizmy cechują się nie tylko złożoną mikro- i makroskopową strukturą, lecz także tym, że ta struktura ma podobne cechy w różnych organizmach, czyli jest skutkiem zarówno przypadkowych, jak i regularnych procesów. Można przypuścić, że organizm zwierzęcia lub rośliny rozwija się według pewnego zapisanego programu. Otóż powinien istnieć nosiciel odpowiedniej informacji. Wygodnie byłoby zapisać tę informację w postaci jakiegoś tekstu. Ten tekst zawierałby ograniczoną ilość „liter”, z nich składałyby się poszczególne „słowa” i „zdania”. Ponadto ten ”tekst”mógłby być zachowywany i przekazywany potomkom (właśnie na tym polega zasada dziedziczności). I taki „tekst” mają żywe organizmy. Jego rolę odgrywa cząsteczka DNA - kwasu de-oksyrybonukleinowego.
DNA - to długa cząsteczka liniowa
Cząsteczka DNA ma niezwykle charakterystyczną i poznawalną strukturę1. Jest to długa liniowy cząsteczka, złożona z dwu skręconych ze sobą łańcuchów (ryc. 7.1). Zwykle każdy z łańcuchów jest poszczególną cząsteczką, która nie jest powiązana wiązaniem kowalencyjnym z inną. Obydwa łańcuchy zwinięte są wokół wspólnej osi, tworząc spiralną dwułańcuchową strukturę.
Nukleotydy - to „litery” w cząsteczce DNA
DNA jest cząsteczką polimerową zbudowaną z ogniw monomerowych - reszt nukleotydowych.
Na rycinie 7.2 podano budowę jednego nukleotydu. W budowie nukleotydu można wyodrębnić trzy ogniwa strukturalne. Po pierwsze jest to zasada azotowa, która jest cykliczną strukturą zawierającą azot. Warto zaznaczyć, że zasada azotowa jest płaska, a na swoich krańcach zawiera grupy, zdolne do wytwarzania wiązań wodorowych. Po drugie - to resz
ta węglowodanu, w przypadku DNA - deoksyrybozy (właśnie deoksyryboza dała nazwę DNA - kwas deoksyrybonukleinowy).
Po trzecie - reszta kwasu ortofosforowego. Nukleotydy w DNA są połączone między sobą tak, że reszta kwasu ortofosforowego jednego nukleotydu łączy się z resztą deoksyrybozy innego.
A więc można sobie wyobrazić, że jeden łańcuszek DNA - to następująca po sobie kolejność reszt kwasu ortofosforowego i deoksyrybozy (tak zwany cukrofosforanowy szkielet), na której umocowane są zasady azotowe. Razem jest ich cztery: adenina (A), guanina (G), tymina (T) i cytozyna (C). Nukleotydy są „literami” tekstu, za pomocą którego została zapisana informacja w DNA. Długość tego tekstu może być bardzo różna. Najkrótsze genomy bakterii zawierają miliony nukleotydów, najdłuższe genomy roślin - setki miliardów. Genom człowieka zawiera trzy miliardy nukleotydów1.
Zasada komplementarności - podstawą budowy DNA
Jak już przypomnieliśmy, klasyczna DNA-to spiralna dwułańcuchowa cząsteczka złożona z dwóch polinukleotydowych łańcuchów, owijających się wokół siebie. Przy tym obydwa łańcuchy są zwrócone ku sobie zasadami azotowymi: naprzeciwko zasady azotowej jednego łańcucha polinukleotydowego rozmieszczona jest zasada azotowa innego łńcucha. Jest to nie przypadkowa, lecz uzasadniona odpowiedniość. Tak naprzeciw adeniny (A) jednego łańcucha romieszcza się tymina (T) drugiego, a naprzeciwko cytozyny (C) rozmieszcza się guanina (G) - i odwrotnie (ryc. 7.3). Taka jednoznaczna odpowiedniość nazywa się zasadą komplementarności (od łac. complementum - uzupełnienie). W taki sposób obydwa łańcuchy DNA, które formują strukturę dwułańcuchową, są komplementarne względem siebie. Znając kolejność nukleotydów w jednym łańcuchu DNA, łatwo wyznaczymy ich kolejność w drugim łańcuchu tworzącym cząsteczkę
Rosalind Franklin
Urodziła się w roku 1920 w Londynie. Nauki pobierała w szkole Św. Pawła i w Newnham College Uniwersytetu Cambridge. Podstawowe jej prace naukowe związane są z rentgenografią strukturalną budowy DNA. Model dwułańcuchowy budowy DNA, który był zaproponowany przez J. Watsona i F. Cricka , opierał się na danych otrzymanych przez Franklin. Niestety, Rosalind miała nowotwór i zmarła w roku 1958 w wieku 37 lat. Zgodnie z testamentem Nobla nagrody jego imienia nie mogą być wręczane pośmiertnie. Właśnie z tego powodu Franklin nie została laureatką Nagrody Nobla w 1962 roku za odkrycie struktury i wyjaśnienie znaczenia DNA. Jednak wniosek badaczki w wyjaśnienie struktury DNA był oceniony wieloma instytucjami naukowymi świata. Nawet projekt 2012 edukacji online w dziedzinie bioinformatyki, programowania i biologii molekularnej był nazwany na jej cześć - Rosalind.
Otóż u każdego organizmu ilość nukleotydów adenylowych dorównuje ilości tymidylowych, a ilość guanilowych - ilości cytydylowych. Jak dowiemy się z następnych paragrafów, zasada komplementarno-ści jest bardzo ważna dla odczytania i realizacji informacji dziedzicznej, zapisanej w DNA.
RNA - to inny typ kwasów nukleinowych
DNA nie jest jedynym polinukleotydem znajdującym się w komórce. Inny typ polinukleotydów, który zawsze jest w komórkach i wykonuje życiowo ważne funkcje - to RNA (kwas rybonukleinowy). Cząsteczki RNA zbudowane są według tego samego schematu, co i cząsteczki DNA: to łańcuch kolejno połączonych nukleotydów. Zasadnicza różnica polega na tym, że w nukleotydach RNA zamiast deoksyrybozy jest ryboza. Prócz tego w RNA, w odróżnieniu od DNA, zamiast tyminy jest bliski do niego pod względem budowy chemicznej uracyl1. Trójwymiarowe struktury, których przybierają cząsteczki RNA, są bardziej różnorodne od struktur DNA. Chociaż spiralna dwułańcuchowa struktura RNA jest dość rozpowszechniona, obydwa łańcuchy w niej zazwyczaj są odcinkami jednej kolejności polinukleoty-dowej. W ten sposób cząsteczki RNA tworzą pętle, szpilki, pseudowęzły i inne niezwykłe struktury (ryc. 7.4). Warto zaznaczyć, że zasada komplementarności, tak kategoryczna dla DNA, nierzadko jest zakłócana na odcinkach dwułańcuchowych RNA.
Rola RNA w komórce - to realizacja informacji dziedzicznej
Wiesz już, że cząsteczki RNA cechuje wielka różnorodność struktur (ryc. 7.5), co umożliwia im wykonywanie wielu funkcji w komórce. Większość cząsteczek RNA w ten lub inny sposób angażuje się do realizacji informacji genetycznej: odczytania informacji zakodowanej w kolejności nukleotydów DNA, syntezy cząsteczek białka, zapewnienia syntezy innych cząsteczek RNA. Jest RNA, który bierze udział w ochronie komórkowej DNA przed wirusami, a także w regulacji pracy DNA. Niektóre RNA angażują się w przeniesienie białek przez błony oraz katalizę chemiczną. Ostatni rodzaj RNA nazywa się rybozymy (według analogii z enzymami). Niektóre wirusy (np. wirus grypy, rynowirusy (powodują przeziębienie) i wirus braku odporności człowieka) wykorzystuje się do zachowania swojej informacji dziedzicznej nie DNA, a RNA.
Ryc. 7.5. Przykład skręcania się cząsteczki RNA - RNA z rybosomem bakterii termofilowej
Zwróć uwagę na wielką ilość struktur dwułańcuchowych, a także na to, że cząsteczka jest kolejnością polinukleotydową.
1 RNA cechuje większa różnorodność zasad azotowych wchodzących do jego składu, jednak podstawowych jest cztery: adenina, guanina, uracyl i cytozyna.
Francis Crick
U rodź H się w roku 1916 w angielskim mieście Northampton. Jego dziadek był biologiem i miał kilka wspólnych naukowych prac z Charlesem Darwinem. Nauki pobierał w Mill-Hill School, a potem w University College London. Główne badania uczonego dotyczyły struktury cząsteczki DNA. Dzięki staraniom Cricka i jego kolegów w 1953 roku udało się zaproponować model budowy DNA w postaci podwójnej helisy. Uczony sformułował właściwości kodu genetycznego, główny dogmat biologii molekularnej, podstawowe osobliwości biosyntezy białka. И/ roku 1962 wraz z Jamesem Watsonem i Maurice 'em Wilkinsem został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za odkrycie dotyczące struktury kwasów nukleinowych i ich znaczenia w przekazywaniu informacji dziedzicznej w układach żywych”. Do końca swoich dni Crick pozostawał badaczem, humanistą i ateistą. Zmarł w roku 2004 w San Diego, USA.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
Funkcję zachowania informacji dziedzicznej pełnią
A białka В kwasy nukleinowe C lipidy D węglowodany E aminokwasy Monomerami kwasów nukleinowych są
A aminokwasy В nukleotydy C zasady azotowe
D fosforan-jony E kwasy tłuszczowe
W składzie DNA zwykle nie bywa zasady azotowej A tyminy В adeniny C uracylu D guaniny E cytozyny
Z podanych par nukleotydów nie jest komplementarna para A A-T В G-C C U-T D A-U E C-G
Na miejscu zaznaczonym Xw podwójnej helisie DNA ma być nukleotyd
1 łańcuch: TG C CTATG AC
2 łańcuch: ACGGAXACTG
AA BG CT DU EC
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
Napisz kolejność DNA, która jest komplementarna do kolejności: ATGCGCTTAT-TCGAC. Napisz kolejność RNA, która jest komplementarna do tegołąńcucha DNA.
Wymień różnice w przyrodzie chemicznej i budowie DNA i RNA.
Co znaczy pojęcie „komplementarność łańcuchów DNA”? W jakim stopniu ta cecha jest właściwa cząsteczkom RNA?
Przy wzroście temperatury zachodzi tak zwane topnienie DNA, przy którym on rozkręca się i staje się jednołańcuchowy. Uwzględniając to, że energia współdziałania G-C jest nieco wyższa od energii współdziałania A-T, zastanów się, który z tych dwóch fragmentów DNA (przytoczono tylko po jednym łańcuchu!) będzie posiadać wyższą temperaturę topnienia: GCAAAGTTAATTCATAT czy TAGCGCTGTCCGTCCGG?
10
Mocznik może być wykorzystany do zakłócenia trójwymiarowej struktury białek, ponieważ sprzyja rozerwaniu wiązań wodorowych. Czy może mocznik być wykorzystany do niszczenia podwójnej helisy DNA?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Jeden komplet DNA w jądrze człowieka zawiera około 3 miliardów par nukle-otydów. W DNA każda zasada zajmuje około 0,34 nm spirali. Wykorzystując te dane, oblicz, jaka by była sumaryczna długość cząsteczki DNA w każdej komórce ludzkiego organizmu, gdyby cały DNA był całkowicie rozkręcony i znajdował się w postaci podwójnej helisy (uwzględnij, że w komórce zwykle jest po dwie kopie każdej cząsteczki DNA!).
12
Wybitny fizyk Maks Delbruk porównał odkrycie struktury DNA pod względem znaczenia dla nauki z odkryciem przez Rutherforda jądra atomowego. Zastanów się, jaki wpływ wywarły prace dotyczące wyznaczenia struktury DNA na dalszy rozwój nauki biologicznej i na czym polega ich znaczenie.
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Wiadomo, że jednołańcuchowy DNA wchłania ultrafioletowe światło w przybliżeniu o 40% efektywniej niż dwułańcuchowy. Spróbuj sprognozować, jak zmieni się wchłanianie światła DNA przy wzroście temperatury od 25 do 98°C. I co zajdzie, gdy temperaturę powoli obniżymy z 98 do 25°C?
Dodatek IV
„Zwariowane” poszukiwanie podwójnej helisy1
W roku 1869 Fridrich Miescher badając leukocyty, wyodrębnił z ich jąder „nuklein”, który następnie przemianowano na kwas nukleinowy. Później, w latach 20. XX stulecia amerykański chemik Fibus Lewin ustalił, że DNA zawiera cztery rodzaje nukleotydów (z adeniną (A), guaniną (G), cytozyną (C) i tyminą (T), które są zbudowane z węglowodanu deoksyrybo-zy, reszty kwasu ortofosforowego odpowiedniej zasady azotowej) i opisał wiązania powstające między nimi. Jednak Lewin jest bardziej znany ze swojej błędnej teorii struktury DNA: on uważał, że jedna cząsteczka DNA zawiera tylko po jednym nukleotydzie każdego rodzaju (teoria tetra nukleotydowa). W roku 1924 tę teorię obaliło odkrycie tego, że DNA jest polimerem wielu nukleotydów połączonych w łańcuch.
Ponad pół wieku DNA ciekawił przeważnie chemików: wtedy w biologii panowało zdanie, że nosicielami dziedziczności są białka. W 1928 roku Frederik Griffith otrzymał niespodziewany rezultat eksperymentu, w którym zabite przez ogrzewanie bakterie chorobotwórcze (zwykle przy wysokich temperaturach u białek niszczy się struktura przestrzenna i one przestają funkcjonować) były zdolne do przekazywania swojej patogenności innym bakteriom, nie wywołującym objawów chorobowych. To wskazywało na obecność innego nosiciela dziedziczności niż białko. Decydujące eksperymenty, które nie pozostawiały wątpliwości dotyczące natury genu, były opublikowane
przez grupę Oswalda Avery'ego w 1944 roku po 10 latach pracy: te eksperymenty pokazały, że dziedziczność u bakterii znikała tylko wtedy, kiedy uczeni niszczyli DNA, a nie RNA lub białka. To udowodniło, że właśnie DNA jest nosicielem dziedziczności i połączyło wysiłki genetyków i biochemików w poszukiwaniu „sekretu życia”.
Następne 10 lat trwały wyścigi o pierwszeństwo w odszyfrowaniu struktury DNA. WAmeryce tym zagadnieniem zaciekawił się Linus Pauling, jeden z najbardziej autorytatywnych ówczesnych chemików, który opisał naturę wiązania chemicznego, Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w roku 1954. Jednocześnie w King's College w Londynie Maurice Wilkins i Rosalind Franklin ze swym studentem Raymondem Goslingiem pracowali nad rentge-nografią strukturalną DNA. A w Laboratorium Biologii Molekularnej na Uniwersytecie w Cambridge biolog James Watson i fizyk Francis Crick zainteresowali się problemem struktury DNA z innej strony: zachęceni sukcesem Paulinga w wykorzystaniu modelowania cząsteczek do odszyfrowania struktury białka (a-helisa zaproponowana w 1951 roku), postanowili modelować strukturę DNA. Jednak, jak pisze Watson w swojej książce „Podwójna heiiksa”, oni prędko zrozumieli, że składniki DNA mają o wiele więcej wariantów wzajemnego rozmieszczenia niż aminokwasy w białkach. Pierwsze rentgenogramy DNA, które otrzymali Franklin i Wilkins, wskazywały na to, że DNA ma strukturę helisy, chociaż Franklin odmawiała się wyciągać takie wnioski bez dodatkowych eksperymentów. Jednak to nie powstrzymało Watsona i Cricka: jeden z pierwszych zbudowanych przez nich modeli miał postać helisy o trzech łańcuchach z zasadami azotowymi na zewnątrz i glikofosforanami w środku cząsteczki. Zobaczywszy ten model, Franklin zauważyła, że jej dane wskazują na to, iż w przypadku spi-ralności DNA glikofosforany powinny być na zewnątrz cząsteczki. Komplikowało modelowanie niedawne odkrycie Erwina Chargaffa (który urodził się w Czerniowcach): suma adeniny i gu-aniny w DNA zawsze dorównuje sumie tyminy i cytozyny. Jaki by nie był model DNA, on miałby tłumaczyć ten fenomen lub przynajmniej nie zaprzeczać go.
Mniej więcej rok po nieudanej próbie zbudowania trójłańcuchowego modelu DNA przez Watsona i Cricka Linus Pauling opublikował artykuł ze swym modelem, który był bardzo podobny do ich. Ten model zawierał kilka poważnych błędów i w żaden sposób nie tłumaczył reguły Chargaffa, dlatego Watson i Crick kontynuowali swoje „szalone” poszukiwania czynnego modelu DNA. Decydującym bodźcem do odszyfrowania struktury stało się najsłynniejsze zdjęcie w historii biologii - tak zwane zdjęcie 51 (rye. IV.1), które otrzymał Raymond Gosling - student Rosalind Franklin. Był to rentgenogram sodowej soli DNA, z którego Watson i Crick zrozumieli, że DNA jest złożony z dwóch łańcuchów zakręconych w helisę. Maurice Wilkins i jego zespół otrzymali podobne rentgenogramy w tym samym czasie. Przeprowadziwszy eksperymenty z różnymi wariantami podwójnej helisy, Watson i Crick stworzyli wytworny model (гус. IV.2) z komplementarnymi nukleotydami (A-T i G-C), który nie tylko tłumaczył reguły Chargaffa, nie zaprzeczał chemicznych charakterystyk składników, lecz ponadto proponował prosty mechanizm przekazywania informacji genetycznej, w którym DNA podwaja się dzięki syntezie nowych łańcuchów
na matrycę obecnego DNA. W roku 1953 w czasopiśmie Nature nadrukowano dwa artykuły poświęcone strukturze DNA: artykuł Wilkinsa i Franklin z analizą rentgenostrukturową DNA oraz artykuł Watsona i Cricka z opisem zaproponowanej struktury podwójnej helisy i zasady komplementarności nukleotydów, za co w roku 1962 James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Rosalind Franklin, niestety, zmarła w 1958 roku i nie mogła otrzymać nagrody wraz z innymi.
Praca praktyczna № 1
Rozwiązywanie podstawowych zadań ze struktury białek i kwasów nukleinowych
Cel: nauczyć się wykorzystywać w praktyce wiedzę o budowie białek i kwasów nukleinowych do rozwiązywania zadań.
Informacja: długość liniowa jednej reszty aminokwasowej : 1 (ak) = 0,35nm; średnia względna masa cząsteczkowa jednej reszty aminokwasowej: Mr(ak) = 110; długość liniowa jednego nukleotydu: 1 (nk) = 345.
Przebieg pracy
Ćwiczenia i zadania o strukturze białek
1
Względna masa cząsteczkowa białka mięśni miozyny wynosi około 500 000. Ile reszt aminokwasowych zawiera jej łańcuch?
2
Białko pepsyna zawiera 340 reszt aminokwasowych. Wyznacz masę i długość łańcucha białkowego tego fermentu.
3
Napisz wszystkie możliwe warianty łańcuchów aminokwasowych zawierających dwie różne lub jednakowe reszty aminokwasowe „А” і „В”, i policz ich ilość. Dokonaj tego samego z zestawem aminokwasów „А”, „В” i „C”. Wyprowadź wzór ogólny do wyznaczania ilości wariantów łańcuchów aminokwasowych w zależności od ich długości (ilości reszt aminokwasowych) i różnorodności aminokwasów wchodzących do ich składu.
4
Hormon wzrostu somatotropina zawiera 9 reszt aminokwasowych lizyny o względnej masie cząsteczkowej 146. Jaką względną masę cząsteczkową posiada całe białko, jeżeli lizyna stanowi tylko 5,29% jego masy?
5
Jaka ilość wiązań peptydowych jest w cząsteczce białka złożonego z 191 reszty aminokwasowej?
Ćwiczenia i zadania o budowie DNA
6
Fragment cząsteczki DNA ma długość 10,2nm. Ile nukleotydów on zawiera i jaka jest jego masa?
7
DNA jednej komórki człowieka zawiera 3,1 miliardy par nukleotydów. Wyznacz masę i długość DNA w jednej komórce.
8
Jeden z łańcuchów DNA ma kolejność AGACTTGATCTGA. Zapisz kolejność drugiego łańcucha DNA i wyznacz długość tego fragmentu.
9
Fragment cząsteczki DNA zawiera 120 nukleotydów adenylowych, co stanowi 30% od ich ogólnej ilości. Ile innych nukleotydów zawiera ten fragment?
10
Kolejność jednego z łańcuchów DNA jest następująca: GCCTAATCAGGT. Jaka jest zawartość od ogólnej ilości każdego z nukleotydów w tym odcinku DNA?
11
Ile reszt deoksyrybozy zawiera cząsteczka DNA, jeżeli w jej składzie jest 27% nukleotydów guanilowych, a nukleotydów tymidylowych - 432?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow