DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) jest jedną z najważniejszych cząsteczek w twoim ciele, i chociaż około 99,9% twojego DNA jest takie samo jak u każdego innego człowieka, 0,1%, które jest inne, jest tym, co czyni cię genetycznie unikalnym! Ta maleńka struktura biologiczna jest ostateczną instrukcją obsługi, zawierającą „przepisy” na białka, których Twoje ciało potrzebuje do rozwoju i funkcjonowania.

Dzisiaj zamierzamy przedstawić Ci podstawy DNA. Porozmawiamy o jego strukturze, jak się replikuje i jaką rolę odgrywa w produkcji białek.

Struktura DNA: Fenomenalne moce biologiczne…Niewielka przestrzeń życiowa

Czy wiesz, że w przeciętnej ludzkiej komórce znajduje się około 2 m (6 stóp) DNA? To dość imponujące, biorąc pod uwagę, że nawet największe komórki mają średnicę nieco ponad 100 µm. (To naprawdę malutko, przy okazji – µm to jedna milionowa część metra).

Jak cały ten materiał genetyczny jest upakowany w przestrzeni mniejszej niż główka szpilki? Krótka odpowiedź brzmi: mnóstwo skręcania i zwijania. DNA owija się wokół skupisk białek zwanych histonami, tworząc jednostki zwane nukleosomami. Nukleosomy te składają się we włókna o zygzakowatym wzorze, które następnie tworzą pętle.

W każdej komórce somatycznej ludzkiego ciała znajduje się 46 oddzielnych łańcuchów DNA. Każdy z nich nazywany jest chromosomem. Naukowcy grupują je w 23 pary homologiczne, co oznacza, że chromosomy w każdej parze są podobne pod względem budowy i funkcji. Jedynym wyjątkiem jest 23. para – chromosomy płciowe – u osobników biologicznie męskich. Chromosomy płciowe X i Y mają tylko pewne regiony (regiony autosomalne), które są homologiczne.

Na poziomie molekularnym, DNA ma charakterystyczny kształt podwójnej helisy, i chociaż nie zostało to zaobserwowane przez naukowców aż do połowy XX wieku, szybko stało się jednym z najbardziej ikonicznych kształtów w całej nauce.

Obraz z A&P 6.

Boki tej skręconej drabiny składają się z naprzemiennych cząsteczek cukru (dokładnie deoksyrybozy) i grupy fosforanowej. Każda strona jest nazwana dla kierunku, w którym biegnie (5′-3′ lub 3′-5′). Stopnie” drabiny składają się z dwóch zasad azotowych, połączonych wiązaniami wodorowymi.

Image credit: Madeleine Price Ball (Wikimedia Commons).

Cztery zasady azotowe – cytozyna, tymina, adenina i guanina – znajdują się na nici DNA. Pod względem ich struktury chemicznej, cytozyna i tymina są pirymidyny i adenina i guanina są puryny. Adenina i tymina (A i T) zawsze łączą się w pary, a guanina i cytozyna (G i C) zawsze łączą się w pary. Parują w ten sposób, ponieważ A i T tworzą dwa wiązania wodorowe ze sobą, a G i C tworzą trzy.

Na najbardziej podstawowym poziomie, różne sekcje nici DNA (sekwencje zasad azotowych) dostarczają instrukcji do syntezy białek. Pojedynczy odcinek DNA może nawet kodować wiele białek!

Replikacja: Doubling Up on DNA

Obraz z A&P 6.

Replikacja DNA komórki zachodzi, zanim komórka przygotuje się do podziału – albo mitozy, albo mejozy I.

Odbywa się w trzech (mniej więcej) etapach.

1. DNA odwija się od histonów.
2. Anim enzym zwany helikazą DNA otwiera strukturę helisy na segmencie DNA, rozrywając wiązania między zasadami azotowymi. Robi to w sposób przypominający zamek błyskawiczny, pozostawiając za sobą widełki replikacyjne.
3. Tutaj sprawy przybierają dziwny obrót.

• Na nici 5′-3′ DNA, enzym zwany polimerazą DNA przesuwa się w kierunku widełek replikacyjnych i wykorzystuje sekwencję zasad azotowych na tej nici do utworzenia nowej nici DNA komplementarnej do niej (oznacza to, że jej zasady parują się z tymi na starej nici).
• Na nici 3′-5′, wiele polimeraz DNA dopasowuje pary zasad w częściowych segmentach, oddalając się od widełek replikacyjnych. Później ligaza DNA łączy te częściowe nici w nowy, ciągły odcinek DNA.

Chcesz wiedzieć coś ciekawego? Kiedy cząsteczka DNA replikuje się, każda z powstałych nowych cząsteczek DNA zawiera nitkę oryginału, więc żadna z nich nie jest całkowicie „nowa”. Również nowe histony są tworzone w tym samym czasie, gdy replikuje się DNA, aby nowe nici DNA mogły się wokół nich zwinąć.

Interludium: RNA vs DNA

Zanim omówimy transkrypcję i translację, dwa procesy kluczowe dla syntezy białek, musimy porozmawiać o innym rodzaju cząsteczek: RNA.

RNA jest bardzo podobny do DNA – ma szkielet cukrowo-fosforanowy i zawiera sekwencje zasad azotowych. Istnieje jednak kilka istotnych różnic między RNA i DNA:

• RNA ma tylko jeden łańcuch nukleotydów. Wygląda jak tylko jedna strona drabiny DNA.

• RNA ma rybozę jako cukier w swoim szkielecie.

• RNA ma Uracyl (U) zamiast tyminy.

• RNA jest mniejsze niż DNA. RNA kończy się na około 10 000 zasad długości, podczas gdy DNA średnio około 100 milionów.
• RNA może opuścić jądro. W rzeczywistości większość swojej pracy wykonuje w cytoplazmie.

Istnieje kilka różnych typów RNA, z których każdy pełni inne funkcje, ale dla celów tego artykułu skupimy się na RNA posłańca (mRNA) i transferowym RNA (tRNA).

Utwarzanie białka, część 1: Transkrypcja

Transkrypcja jest pierwszą fazą procesu tworzenia białka, mimo że rzeczywista synteza białka nie zachodzi aż do drugiej fazy. Zasadniczo podczas transkrypcji mRNA „kopiuje” instrukcje tworzenia białka z DNA.

Obraz z A&P 6.

Po pierwsze, enzym zwany polimerazą RNA otwiera odcinek DNA i montuje nić mRNA, „odczytując” sekwencję zasad na jednej z nici DNA. Jeśli na DNA jest C, to na RNA będzie G (i odwrotnie). Jeśli na DNA jest T, to na RNA będzie A, ale jeśli na DNA jest A, to na RNA będzie U (zamiast T). Gdy polimeraza RNA przemieszcza się w dół łańcucha DNA, zamyka strukturę helikalną z powrotem za sobą.

Przed nowym mRNA może wyjść, aby dostarczyć swoje instrukcje produkcji białka, to dostaje „oczyszczone” przez enzymy. Usuwają one segmenty zwane intronami, a następnie splatają pozostałe segmenty, zwane eksonami, razem. Egzony to sekwencje, które faktycznie kodują białka, więc to one muszą być zachowane przez mRNA. Możesz myśleć o intronach jak o wyściółce między eksonami.

Pamiętasz też, jak wspomniałem, że pojedyncza sekwencja DNA może kodować wiele białek? Alternatywny splicing jest tego powodem: zanim mRNA opuści jądro, jego eksony mogą zostać połączone na różne sposoby.

Robiąc białko, część 2: Translacja

Po oczyszczeniu i przygotowaniu do działania, mRNA opuszcza jądro i wyrusza, by wypełnić swoje przeznaczenie: wziąć udział w translacji, drugiej połowie budowy białka.

W cytoplazmie mRNA musi połączyć się z tRNA za pomocą rybosomu. tRNA to rodzaj RNA, który ma miejsce wiązania z wolnymi aminokwasami i specjalną sekwencję trzech zasad azotowych (antykodon), która łączy się z rybosomem.

Rybosomy to organelle, które ułatwiają spotkanie tRNA i mRNA. Podczas translacji rybosomy i tRNA postępują zgodnie z instrukcjami zawartymi w mRNA i składają aminokwasy w białka.

Obraz z A&P 6.

Każdy rybosom składa się z dwóch podjednostek (dużej i małej). Łączą się one ze sobą na początku translacji. Podjednostki rybosomalne można zwykle znaleźć pływające w cytoplazmie, ale rybosom będzie dokowany na szorstkim retikulum endoplazmatycznym, jeśli białko, które wytwarza, musi być umieszczone w pęcherzyku transportowym. Rybosomy mają również trzy miejsca wiązania, gdzie tRNA może zadokować: miejsce A (aminoacyl, pierwsza pozycja), miejsce P (peptydyl, druga pozycja) i miejsce E (pozycja wyjściowa).

W ostatecznym rozrachunku translacja ma trzy etapy: inicjację, elongację i zakończenie.

Podczas inicjacji, nić mRNA tworzy pętlę, a mała podjednostka rybosomalna (dolna część rybosomu) zaczepia się o nią i znajduje sekwencję zasad, które sygnalizują jej rozpoczęcie transkrypcji. Nazywa się to kodonem startu (AUG).

Następnie tRNA z antykodonem UAC paruje się z tym kodonem startu i zajmuje drugie miejsce (P) rybosomu. Ten tRNA przenosi aminokwas metioninę (Met). W tym momencie duża podjednostka rybosomalna również zajmuje swoje miejsce (znajduje się powyżej mRNA, a mała podjednostka poniżej).

W fazie elongacji w pełni zmontowany rybosom zaczyna przesuwać się wzdłuż mRNA. Załóżmy, że następną sekwencją zasad, na którą natrafia po kodonie startu, jest GCU. Cząsteczka tRNA z antykodonem CGA zwiąże się z miejscem w rybosomie na pierwszej pozycji (A). Przenoszony przez nią aminokwas (alanina) tworzy wiązanie peptydowe z Met. Następnie tRNA CGA (niosący łańcuch Met-Ala) przesuwa się na drugą pozycję, a tRNA UAC wchodzi do miejsca wiążącego E. Miejsce w pierwszej pozycji jest gotowe na przyjęcie nowego tRNA. Proces ten trwa do momentu, gdy rybosom dotrze do kodonu „stop”.

Nagranie wideo z A&P 6.

Terminacja jest tym, czym się wydaje. Po osiągnięciu kodonu „stop”, tRNA, który wiąże się z pierwszą pozycją, przenosi białko zwane czynnikiem uwalniającym. Łańcuch aminokwasowy odrywa się od rybosomu, trafiając do cytozolu lub do cystern szorstkiego ER, a rybosom rozpada się. Może on jednak ponownie się złożyć i ponownie okrążyć pętlę mRNA. Ponadto wiele rybosomów może pracować na tym samym mRNA jednocześnie!

I to są podstawy DNA!

Tutaj jest podręczny wykres, na który możesz spojrzeć, jeśli musisz sobie przypomnieć różnice między transkrypcją, translacją i replikacją:

.

.

.

	Miejsce	Cel	Główny. Uczestnicy	Produkt(y)
Replikacja	Jądro	Duplikacja pełnej nici DNA	DNA Helikaza DNA Polimeraza DNA Ligazy DNA	2 identyczne nici DNA
Transkrypcja	Jądro	Użycie nici DNA do zbudowania cząsteczki mRNA	Polimeraza DNA RNA (ligazy DNA)	Polimerazy DNA (ligazy DNA) ligaza DNA)	mRNA
Translacja	Cytoplazma	Użyj mRNA do budowy łańcucha aminokwasów	mRNA Ribosom tRNA (i aminokwasy)	Łańcuch aminokwasów (białko)

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o komórkach, sprawdź te powiązane posty na blogu VB:

• Anatomia &Fizjologia: Części Ludzkiej Komórki
• Taki Transport: Passive vs. Active Transport in Cells

Be sure to subscribe to the Visible Body Blog for more anatomy awesomeness!

Jesteś instruktorem? Mamy wielokrotnie nagradzane produkty 3D i zasoby dla Twojego kursu anatomii i fizjologii! Dowiedz się więcej tutaj.