DNA-to nosiciel informacji dziedzicznej, zapisanej w kolejności (sekwencji) nukleotydów
Jak już wiesz, nosicielem informacji o rozwoju, budowie i czynnościach żywego organizmu jest cząsteczka DNA. Ta cząsteczka jest polimerem liniowym - polinukie-otydem w postaci łańcucha z ogniw nukleotydowych. Ten łańcuch zawiera nukleotydy z zasadami azotowymi czterech rodzajów: adeniną (A), guaniną (G), cytozyną (C) i tyminą (T)1. Te nukleotydy kolejno układają się jeden po drugim i w kolejności ich połączenia jest zaszyfrowany tekst - program, według którego buduje się i pracuje żywy organizm. W tym rozdziale będziemy omawiać, jak ten program, zapisany w kolejności nukleotydów DNA, wykonuje komórka. Dla organizmów żywych posiadanie niezawodnej przechowalni informacji nie jest wystarczające. Ważne jest, aby tę informację można było skopiować i przekazać potomkom.
Podwójna helisa - to podstawa zasady semikonserwatywnej replikacji
Wielu ludzi, nawet nie znających biologii, wie, jak w przybliżeniu wygląda cząsteczka DNA: to kompleks dwóch łańcuchów owiniętych wokół siebie - helisa podwójna. Rzeczywiście, prawie cały czas cząsteczka DNA znajduje się w takim kompleksie2. Przy tym łańcuchy polinukleotydowe nie są identyczne. Naprzeciw reszty adeniny (A) jednego
łańcucha rozmieszczona jest reszta tyminy (T) innego łańcucha, naprzeciw reszty guaniny (G) - reszta cytozyny (C). Jest to rozpatrzona przez nas wcześniej zasada komplementarności. W budowie DNA kryje się klucz do mechanizmu jego kopiowania. Ten proces nazywa się replikacją. Cząsteczka DNA najpierw rozkręca się: łańcuchy oddzielają się od siebie, tworząc odcinki jednołańcuchowe. Potem dzięki pracy układów enzymatycznych komórki naprzeciwko każdego łańcucha, który powstał z wyjściowej - macierzyńskiej - cząsteczki DNA, według zasady komplementarności kształtują się łańcuchy potomne. Tak powstają dwie identyczne dwułańcu-chowe helisy cząsteczki DNA. Każda z nich otrzymała jeden łańcuch nukleotydów od macierzyńskiej cząsteczzki DNA, a drugi - nowo syntezowany. Taki mechanizm replikacjji nazywa się semikonserwa-tywny: każda cząsteczka DNA zawiera nowy i stary (konserwatywny) łańcuch (ryc. 21.1).
1 Wiele nukleotydów modyfikuje się, szczególnie u organizmów eukariotycznych. Jednak te modyfikacje zachodzą już po tym, jak nukleotydy wejdą w skład łańcuchów DNA. Tu obserwuje się określona paralela do białek.
2 Wyjątkiem są niektóre wirusy, takie jak wirus adenoasocjowany, którego DNA genomu znajduje się w postaci jednego łańcucha. Lecz w ciągu cyklu życiowego wirusa on staje się dwułańcuchowy.
Najważniejszy enzym replikacji - to DNA-polimeraza
Replikacja DNA dokonuje się z udziałem złożonego kompleksu białek-enzymów i jest dokładnie kontrolowana przez komórkę. Jedne białka biorą udział w rozkręcaniu podwójnej helisy, inne - stabilizują odcinki jednołańcuchowe, trzecie - biorą udział w syntezie nowych łańcuchów DNA. Poznać, jak pracuje aparat replikacyjny, możesz, oglądając wideo na stronie internetowej.
Podstawowy enzym, który bierze udział w replikacji DNA - to DNA-polimeraza. DNA-polimeraza zapewnia przyłączenie nowych nukleotydów do wzrastających łańcuchów DNA. Nukleotydy, które przyłączają się do rosnącego łańcucha DNA, zawierają trzy kolejno połączone reszty kwasu ortofosforowego, zarówno jak i cząsteczka ATP1. Pod względem energetycznym to jest równoważne rozszczepieniu dwóch cząsteczek ATP do ADP i fosforanu. Wydzielająca się energia wykorzystuje się po pierwsze do przyłączenia nukleotydu do łańcucha, a po drugie - do poruszania się DNA-polimerazy wzdłuż nici DNA. DNA-polimeraza jest więc nie tylko enzymem biosyntezy DNA, ale i cząsteczkowym motorem poruszającym się po nim.
Odcinek DNA, na którym zachodzi proces replikacji, ma charakterystyczną Y-po-dobną budowę i nazywa się widełkami replikacyjnymi (miejscem jednoczesnego rozwijania cząsteczki DNA i syntezowania nowych nici) (ryc. 21.2). Widełki replikacyjne powstają tylko na określonych odcinkach DNA zawierających kolejności, które odpowiadają za włączenie replikacji. Zazwyczaj na jednym odcinku powstają jedne widełki replikacyjne, które podczas replikacji tworzą boki oczka replikacyjnego. Widełki replikacyjne są asymetryczne. Asymetria wynika z działania DNA-polimerazy, która prowadzi replikację w jednym kierunku jednym ciągiem w obu rozkręconych łańcuchach. Ilość punktów początku replikacji jest różna u różnych organizmów. W DNA bakterii jest jeden punkt początku replikacji, a w chromosomach eukariotów - wiele. Związane jest to z tym, że wymiary chromosomów eukariotów dziesiątki i setki razy przewyższają wymiary nukleoidu prokariotycznego. Aby przyspieszyć proces kopiowania całego DNA,
replikacja u eukariotów włącza się jednocześnie w kilku miejscach. Przy tym sąsiadujące oczka podczas wzrostu zlewają się ze sobą. Oprócz tego ilość punktów włącza-nia replikacji różni się nawet w komórkach jednego organizmu. Na przykład u dorosłej muszki owocowej (drozofili) replikacja całejgo DNA komórki zazwyczaj trwa 8 godzin. Au embrionu na wczesnych stadiach rozwoju replikacja tej samej ilości DNA trwa 30 minut. Osiągane jest to nie dzięki zwiększeniu szybkości syntezy, a zwiększeniu ilości punktów rozpoczęcia replikacji. Tak więc w komórce embriona muszki owocowej na jednostkę długości DNA jest więcej aktywnych widełek replikacyjnych niż u dorosłej muszki. Umożliwia to znacznie przyspieszenie procesu podwojenia DNA.
DNA komórki prokariotycznej replikuje się w cytoplazmie, natomiast u eukariotów ten proces całkowicie zachodzi w jądrze. Poza tym u eukariotów DNA występują w organellach - mitochondriach i chloroplastach. Replikacja tego DNA zachodzi niezależnie od DNA jądra, a układy enzymatyczne, które biorą udział w tym procesie, bardziej przypominają prokariotyczne niż eukariotyczne. Replikacja DNA eukariotów dokładnie związana jest z pewnym okresem w życiu komórki i zachodzi przed podziałem komórkowym. Przeważnie w odstępie czasu między komórkowymi podziałami cały DNA replikuje się tylko jeden raz.
Replikacja zachodzi z błędami
Replikacja DNA - to proces życiowo ważny, ponieważ zapewnia kopiowanie informacji dziedzicznej i przekazywanie jej potomkom. Od dokładności przebiegu replikacji zależy zachowanie w czasie programu genetycznego, przekazywanie z pokolenia na pokolenie. Jednak replikacja niemożliwa jest bez błędów. DNA-polimeraza łączy nukleoty-dy zgodnie z zasadą komplementarności, lecz czasem myli się w wyborze nukleotydu. Zazwyczaj ona dokonuje jeden błąd na miliard nukleotydów. Czasem polimeraza „przepuszcza” nukleotyd, a czasem - wstawia zbyteczny. To wszystko prowadzi do zmiany kolejności nukleotydów w potomnych łańcuchach DNA w porównaniu z macierzyńskim DNA (ryc. 21.3).
W komórce są układy enzymatyczne rozpoznające te błędy i poprawiające je. Te układy nazywają się układami reparacji (układami naprawy DNA)1.Chodzi o to, że na tych odcinkach DNA, gdzie jest para niekomplementarnych nukleotydów (albo jednego nukleotydu brak, albo jeden jest zbyteczny), powstaje zakłócenie klasycznej podwójnej helisy. Takie zakłócenia rozpoznają układy reparacyjne. Te układy wyznaczają, który łańcuch jest macierzyński, a który - potomny. Możliwe to jest dzięki modyfikacjom nukleotydów: macierzyński łańcuch DNA zawiera je, natomiast w potomnym one jeszcze nie zdążyły pojawić się. Łańcuch macierzyński zawiera „poprawną” kolejność nukleotydów, a potomny - kolejność „z błędem”. Następnie enzymy reparacji wydalają element łańcuchu, który zawiera błąd i osobliwa DNA-polimeraza na nowo go dobudowuje.
Jednak, nie patrząc na pracę układu reparacji, niektóre błędy zostają niezauważone. Jeżeli błąd w łańcuchu potomnym zostanie niezauważony i nie będzie poprawiony, to w następnej replikacji on utrwali się. W taki sposób powstaje mutacja punktowa.
Błędy, które zachowały się, są podstawą do zmienności
Mutacje stale są powodowane błędami w replikacj. Nie patrząc na dość niską częstotliwość błędów, a także pracę układu reparacji, z czasem mutacje nagromadzają się i powodują zmiany informacji genetycznej. Takie zmiany mogą źle wpłynąć na jakość informacji zakodowanej w DNA. Wyjaśnijmy to, co było powiedziane, na przykładzie. Wyobraź sobie, że mamy określony tekst, zapisany literami (nie są to nukleotydy DNA, lecz możemy obserwować niektóre podobieństwo).
SZYSZKI NASOŚNIEWARCABYNASTOLEUSONIWARCABYUSYMYSZYSZKI Jest to dość pojemny tekst, który zawiera informację o przedmiotach (SZYSZKI, WARCABY), ich właścicielach (USONI, USYMY), miejscu rozmieszczenia (NASOŚNIE, NASTOLE). Ten tekst będzie przepisywany jako kolejności DNA i w nim będą wynikały nieuniknione błędy. Większość błędów przyczyni się do beztreściowości tekstu. SZYSZKI NACOBNIEWARCABYNASTOLEUSONIWARCABYUSYMYSZYSZKI SZYSZKI NASOŚNIEWARCABYNASTOLEGSONIWARCABYUSYMYSZYSZKI SZYSZKINASOŚNIEWARCABYNASTOLEUJONIWARCABYUSYMYSZYSZKI Lecz okresowo będą powstawać błędy, które będą powodować zjawienie się nowych programów.
MYSZKINASOŚNIEWARCABYNASTOLEUSONIWARCABYUSYMYSZYSZKI SZYSZKI NASOŚNIEWARCABYNASTOLEUSONIWARCABYUSYMYMYSZKI SZYSZKINASOŚNIEWARCABYNASTOLEUSONIWARCABYURYMYSZYSZKI W pierwszym i drugim wypadku zmienia się przedmiot (MYSZKI), w trzecim - właściciel (URYMY). Te programy zawierają już inną „treściową” informację. One mogą utrwalić się w toku ewolucji i stać się źródłem nowych cech. Inne „beztreściowe” i „szkodliwe” programy z czasem są odrzucane. Właśnie tak zachodzi ewolucja na poziomie cząsteczkowym. Dokładniej ten proces rozpatrzymy w § 44. Teraz wyciągniemy tylko dwa ważne wnioski.
1. Mutacje DNA, powstające wskutek błędów replikacji oraz pod wpływem innych czynników, są źródłem różnorodności kolejności DNA, a znaczy i zmienności w populacjach organizmów.
2. Mutacje mogą sprzyjać powstaniu nowej informacji pod warunkiem, że zachodzi segregacja „treściowych” i „nie bardzo szkodliwych” połączeń nukleotydów. W innym przypadku mutacje prowadzą do utraty informacji genetycznej.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
DNA- polimeraza przyłącza nukleotydy do A macierzyńskiego łańcucha polinukleotydowego В potomnego łańcucha polinukleotydowego C i macierzyńskiego, i potomnego łańcucha polinukleotydowego D trzech reszt kwasu ortofosforowego E widełek replikacyjnych
2
Układ reparacji NIE rozpoznaje A kilku jednakowych nukleotydówz rzędu В zbytecznego nukleotydu w jednym łańcuchu C braku odpowiedniego nukleotydu w jednym łańcuchu D pary niekomplementarnych nukleotydów E nieodpowiedniego nukleotydu w jednym z łańcuchów
3
Replikacja u zwierząt zachodzi w
A jądrze В cytozolu C jądrze i cytozolu
D jądrze i mitochondriach E jądrze, mitochondriach i chloroplastach
4
DNA u eukariotów podwaja się A jeden raz przed każdym podziałem komórki В dwa razy przed każdym podziałem komórki
C w dowolnym czasie D tylko podczas podziału komórki E stale
5
Gromadzenie „treściowych” nukleotydów prowadzi do A zwyrodnienia informacji dziedzicznej В bezsensownego kopiowania niepotrzebnej informacji C zakłócenia struktury podwójnej helisy DNA D nabycia przez organizm nowych cech E śmierci organizmu
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego replikacja DNA jest semikonserwatywna? Jak zachodziłaby replikacja konserwatywna, gdyby obydwa łańcuchy nowej helisy DNA syntezowały się znów?
7
Dlaczego do replikacji jest niezbędne rozkręcanie podwójnej helisy?
8
Na co wywiera wpływ ilość widełek replikacyjnych na chromosomie? W jakich przypadkach niezbędna jest duża ilość tych widełek?
9
Jakie skutki dla organizmów miałoby zwiększenie częstotliwości pojawienia się błędów podczas replikacji? A jakie - obniżenie efektywności reparacji?
10
Jak wyglądałby świat żywy, gdyby nowa „treściowa” informacja w DNA nie utrwalała się w procesie ewolucji?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Podczas rozkręcania podwójnej helisy DNA w widełkach replikacyjnych niepo-dwojona część cząsteczki musi jeszcze bardziej skręcać się lub szybko się obracać. Obydwa procesy z powodu dużej długość cząsteczki są niemożliwe. Jak aparat replikacyjny rozwiązuje taki problem?
12
Richard Lenski w Michigan State University w roku 1988 rozpoczął długotrwały eksperyment dotyczący ewolucji pałeczki okrężnicy, który trwa do dziś. Jak z czasem zmieniła się częstotliwość powstania mutacji? Jakich unikalnych właściwości nabyły bakterie w ciągu tych lat?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Film „Ciemna strona Słońca” opowiada o młodzieńcu (grał go Brad Pitt), który nie może znajdować się w słonecznym świetle bez odzieży ochronnej. Z czym związane jest takie „schorzenie”? Czy można pomóc młodzieńcowi metodami współczesnej medycyny?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow