Etap III · poszerzenie · genetyka
DNA przechowuje informację genetyczną. Na konkursie liczą się: budowa nukleotydu, reguła komplementarności, różnice między DNA a RNA oraz sposób upakowania DNA w chromosom (helisa → nukleosom → chromatyna → chromosom). Do tego dochodzą replikacja DNA, która poprzedza każdy podział komórki, budowa genu i porównanie genomów bakterii, eukariontów i wirusów.
Nukleotydy — cegiełki kwasów nukleinowych
Nukleotydy to niewielkie cząsteczki organiczne zbudowane z pięciu pierwiastków: C, H, O, N i P. W komórce występują jako wolne nukleotydy. Mogą też łączyć się w dinukleotydy albo w długie polinukleotydy, czyli kwasy nukleinowe.
| Element nukleotydu | Co to jest |
|---|---|
| Pentoza | cukier pięciowęglowy: ryboza (RNA) albo deoksyryboza (DNA) |
| Zasada azotowa | jedna z pięciu: G, A, C, T, U. Puryny mają dwa pierścienie (adenina, guanina). Pirymidyny mają jeden pierścień (cytozyna, tymina, uracyl). |
| Reszty fosforanowe(V) | od jednej do trzech. W fizjologicznym pH komórki występują jako aniony. |
Dwa wiązania wewnątrz nukleotydu: pentoza + zasada → wiązanie N-glikozydowe → powstaje nukleozyd. Następnie nukleozyd + reszta fosforanowa(V) → wiązanie estrowe → powstaje nukleotyd.
Atomy węgla cukru numeruje się ze znakiem prim (1′–5′). Dzięki temu nie myli się ich z atomami węgla zasady. Nazwy nukleotydów DNA tworzy się od nukleozydów: deoksyadenozyny, deoksyguanozyny, deoksycytydyny i tymidyny. Wzór nazwy to „nukleozydo-5′-monofosforan”. Liczba 5′ oznacza, że fosforan jest przyłączony do piątego węgla deoksyrybozy.
| Podział | Grupy |
|---|---|
| wg cukru i zasady | rybonukleotydy: ryboza + G, A, C lub U; skróty trzyliterowe, np. ATP (adenozynotrifosforan). deoksyrybonukleotydy: deoksyryboza + G, A, C lub T; skróty czteroliterowe, np. dATP (deoksyadenozynotrifosforan). |
| wg liczby fosforanów | trifosforany, difosforany i monofosforany nukleozydów, np. ATP ↔ ADP + Pi ↔ AMP + Pi. Przechodzą w siebie przez przyłączanie lub odłączanie reszt fosforanowych. Część nukleotydów tworzy formy cykliczne (pierścieniowe). |
Funkcje wolnych nukleotydów (m.in.):
- przenoszą energię chemiczną (ATP);
- działają jako cząsteczki sygnałowe (cykliczny AMP, cAMP);
- są substratami do syntezy dinukleotydów i kwasów nukleinowych.
Dinukleotydy składają się z dwóch nukleotydów i przenoszą elektrony w metabolizmie:
- NAD+ — jeden z nukleotydów zawiera pochodną kwasu nikotynowego (witaminy B3);
- NADP+ — ma wszystko to co NAD+ oraz dodatkową resztę fosforanową(V);
- FAD — jeden z nukleotydów jest pochodną ryboflawiny (witaminy B2).
Budowa DNA
DNA to zwykle dwuniciowa cząsteczka (podwójna helisa) zbudowana z nukleotydów. Każdy nukleotyd = cukier (deoksyryboza) + reszta fosforanowa + zasada azotowa. Zasady: adenina (A), tymina (T), guanina (G), cytozyna (C). Wyjątek: u niektórych wirusów występuje DNA jednoniciowe (ssDNA).
Reguła komplementarności: nici łączą się zasadami według zasady A–T i G–C (wiązania wodorowe). Znając jedną nić, można odtworzyć drugą. Nici są antyrównoległe.
Łańcuch (nić) polinukleotydowy. Kolejne nukleotydy łączą się wiązaniami 3′,5′-fosfodiestrowymi. Reszta fosforanowa(V) spina węgiel 3′ cukru jednego nukleotydu z węglem 5′ cukru następnego — stąd nazwa wiązania. Nić jest polarna, bo jej dwa końce mają różną budowę:
- koniec 5′ — reszta fosforanowa(V);
- koniec 3′ — grupa hydroksylowa (–OH) cukru.
Sekwencja to kolejność nukleotydów w nici. Zapisuje się ją literami zasad, zaczynając od końca 5′, np. 5′-ATCGT-3′ albo krótko ATCGT. W RNA zapis wygląda analogicznie, np. 5′-AUCGU-3′.
Przestrzenny kształt helisy:
- Helisa jest prawoskrętna, a dwie nici skręcają się wokół wspólnej osi.
- Na zewnątrz leży szkielet cukrowo-fosforanowy (deoksyryboza + reszty fosforanowe). Zasady są skierowane do środka.
- Dwie zasady związane wiązaniami wodorowymi tworzą parę zasad. Naprzeciw puryny (A lub G) zawsze stoi pirymidyna (T lub C), dzięki czemu helisa ma stałą średnicę.
- Helisę stabilizują wiązania wodorowe między niciami. Dodatkowo działają oddziaływania hydrofobowe między sąsiadującymi parami zasad w tym samym łańcuchu.
- Na jeden pełny skręt przypada 10 par nukleotydów.
- Wzdłuż helisy biegną dwa rowki, większy i mniejszy. Dzięki nim białka wiążące DNA rozpoznają sekwencję bez rozplatania helisy.
- Długość dwuniciowego DNA podaje się w parach zasad (pz), czyli w liczbie par nukleotydów.
Antyrównoległość w zapisie: koniec 5′ jednej nici leży naprzeciw końca 3′ drugiej. Dla nici 5′AATGCGT3′ nić komplementarna to 3′TTACGCA5′.

Jak poznano strukturę. DNA odkryto w 1869 r. Jego przestrzenną budowę ustalili dopiero w 1953 r. James Watson i Francis Crick. Sami nie robili doświadczeń laboratoryjnych nad DNA — oparli się na wynikach innych badaczy. Kluczowe okazały się zdjęcia rentgenowskie kryształów DNA wykonane przez Rosalind Franklin z zespołu Maurice'a Wilkinsa. Ciemne plamy ułożone w środku zdjęcia w kształt litery X wskazywały, że DNA jest helisą.
DNA a RNA
| Cecha | DNA | RNA |
|---|---|---|
| Nici | zwykle dwie (helisa); ssDNA u niektórych wirusów | zwykle jedna; mogą wystąpić fragmenty dwuniciowe w obrębie tej samej nici; całe dwuniciowe RNA (dsRNA) — znacznie rzadziej, m.in. u niektórych wirusów |
| Cukier | deoksyryboza | ryboza |
| Zasady | A, T, G, C | A, U, G, C (uracyl zamiast tyminy); pary: A–U, G–C |
| Rodzaje nukleotydów | 4 deoksyrybonukleotydy (A, T, G, C) | 4 rybonukleotydy: adeninowy, guaninowy, cytydynowy, urydynowy |
| Funkcja | przechowywanie informacji; materiał genetyczny wszystkich organizmów i części wirusów | udział w syntezie białka (mRNA, tRNA, rRNA); część cząsteczek działa katalitycznie (rybozymy) lub regulacyjnie; materiał genetyczny pozostałych wirusów i wiroidów |
| Stabilność | trwalszy jako materiał genetyczny | mniej stabilny: przy kopiowaniu powstaje więcej błędów i łatwiej ulega degradacji |
Rola DNA i doświadczenia, które ją wykazały
DNA wyznacza strukturę pierwszorzędową cząsteczek RNA i białek. Od białek zależą cechy organizmu: morfologiczne, anatomiczne i fizjologiczne. Cechy te przechodzą z pokolenia na pokolenie, więc DNA jest nośnikiem informacji genetycznej odpowiedzialnym za dziedziczenie. Ustalono to w połowie XX w. dzięki badaniom bakterii i wirusów.
| Badanie | Co zrobiono i co wyszło |
|---|---|
| Frederick Griffith, 1928 | Brytyjski lekarz wojskowy leczący bakteryjne zapalenie płuc. Badał na myszach dwa szczepy dwoinki zapalenia płuc. Szczep S jest chorobotwórczy i ma śluzową otoczkę. Szczep R jest niechorobotwórczy i otoczki nie wytwarza. Próby i wyniki: • żywe S → mysz choruje i ginie; • żywe R → mysz zdrowa; • S zabite wysoką temperaturą → mysz zdrowa; • żywe R + martwe S → mysz ginie, a z jej ciała wyizolowano żywe bakterie S. Wniosek: bakterie chorobotwórcze potrafią przekazać niechorobotwórczym zdolność zakażania. Griffith nie wiedział, jaki związek za to odpowiada — tylko tyle, że jest to składnik cytoplazmy bakterii chorobotwórczych. |
| Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty, 1944, USA | Kontynuacja prac Griffitha. Problem: białko, RNA czy DNA? Hipoteza: DNA. Do ekstraktu z bakterii chorobotwórczych dodawano jeden z enzymów: proteazy (trawią białka), deoksyrybonukleazy (DNA) lub rybonukleazy (RNA). Ekstrakt łączono z hodowlą bakterii niechorobotwórczych, a nimi zakażano myszy. Liczono chore zwierzęta, a w krwi padłych sprawdzano obecność bakterii. Próby kontrolne: same bakterie niechorobotwórcze → mysz żyje; bakterie niechorobotwórcze + ekstrakt bez enzymu → mysz ginie, we krwi bakterie chorobotwórcze. Próby badawcze: + enzym trawiący białko → mysz ginie; + enzym trawiący RNA → mysz ginie; + enzym trawiący DNA → mysz żyje. Wniosek: cechy przekazuje DNA — to on jest nośnikiem informacji genetycznej. |
| Alfred Hershey i Martha Chase, 1952, USA | Pytanie: która część bakteriofaga T2 wnika do bakterii i powoduje powstawanie nowych wirusów? Hipoteza: DNA jest nośnikiem informacji bakteriofagów. Białkowy kapsyd znakowano siarką promieniotwórczą (35S), a DNA — fosforem promieniotwórczym (32P). Fagami zakażano bakterie. Fag wstrzykuje do bakterii DNA. Wytrząsanie odrywa puste kapsydy od bakterii, a wirowanie oddziela bakterie (osad) od roztworu z kapsydami. Na końcu mierzono promieniotwórczość. Wynik: większość 35S była w roztworze z kapsydami, a większość 32P — w osadzie z bakteriami zawierającymi DNA faga. Wniosek: informację genetyczną wirusów przekazuje DNA, nie białko. |
Informacja genetyczna a kod genetyczny
Informacja genetyczna to treść zapisana w odcinkach DNA, czyli w genach. Dotyczy syntezy białek, od których zależą cechy organizmu. Kod genetyczny to sposób zapisu tej treści. Jego „alfabet” stanowią cztery litery — G, A, C oraz T (w DNA) lub U (w RNA) — oznaczające kolejne nukleotydy. Kolejność nukleotydów wyznacza kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, czyli strukturę pierwszorzędową białka.
Informacja zawarta w genie obejmuje więcej niż sam przepis na cząsteczkę:
| Element informacji | Przykład / znaczenie |
|---|---|
| budowa cząsteczki | kolejność aminokwasów w białku lub nukleotydów w RNA |
| warunki wytwarzania | np. podwyższona temperatura otoczenia |
| miejsce docelowe | dokąd w komórce ma trafić cząsteczka, np. do błony komórkowej, do mitochondrium |
| rodzaj komórek | w jakich komórkach ma powstawać, np. insulina — tylko w komórkach trzustki |
| czas obecności | jak długo cząsteczka ma istnieć, czyli jak szybko ma ulec degradacji |
| tempo wytwarzania | ile cząsteczek ma powstać w danym czasie |
Wiązania w DNA — dwa różne typy
W cząsteczce DNA występują dwa rodzaje wiązań — nie myl ich.
| Wiązanie | Co łączy |
|---|---|
| Fosfodiestrowe (3′,5′) | kolejne nukleotydy wzdłuż jednej nici (reszta fosforanowa–cukier); tworzy trwały „szkielet” nici — występuje też w RNA |
| Wodorowe | zasady azotowe leżące naprzeciw siebie na dwóch niciach: A z T, G z C; spinają obie nici helisy |
Para A–T ma zawsze 2 wiązania wodorowe, a G–C — zawsze 3. Wiązania wodorowe między niciami są rozrywane np. przed replikacją (robi to helikaza), a wiązania fosfodiestrowe łączą kolejne nukleotydy w ciągłą nić. Wewnątrz każdego nukleotydu działają jeszcze wiązanie N-glikozydowe (cukier–zasada) i estrowe (cukier–fosforan).
Reguła Chargaffa — jak liczyć zasady
Skoro w dwuniciowym DNA A zawsze łączy się z T, a G z C, to ich ilości (i procenty) są równe. Ta prawidłowość to reguła Chargaffa. Nie stosuje się jej do jednoniciowego DNA (ssDNA) niektórych wirusów.
| Zasada | Wynika z komplementarności |
|---|---|
| liczba A = liczba T | %A = %T |
| liczba G = liczba C | %G = %C |
| A + T + G + C | = wszystkie nukleotydy (100%) |
Przykłady z zadań:
1. 460 nukleotydów, w tym 65 z tyminą (T). Skoro A = T, to A = 65, więc A + T = 130. Zostaje 460 − 130 = 330 na G + C. Ponieważ G = C → C = 330 : 2 = 165.
2. C = 20% wszystkich nukleotydów. Wtedy G = 20% (bo G = C), razem G + C = 40%. Zostaje A + T = 60%, a że A = T → A = 30%.
3. A = 35% wszystkich nukleotydów. Wtedy T = 35%, razem A + T = 70%. Zostaje G + C = 30%, a że G = C → G = 15%.
4. 250 nukleotydów, w tym 75 z cytozyną. G = C = 75, więc G + C = 150. Na A + T zostaje 250 − 150 = 100, czyli T = 100 : 2 = 50.
5. Czy cząsteczka jest dwuniciowa? Fragment ma 200 nukleotydów, w tym 63 z G i 56 z A. Zakładamy dwuniciowość: wtedy C = 63 i T = 56. Suma wynosi 63 + 56 + 63 + 56 = 238, a nie 200. Założenie jest więc fałszywe: zasady nie mogą być w pełni komplementarne, czyli to DNA jednoniciowe.
Rodzaje RNA i ich role
W komórkach jest kilka rodzajów RNA. Różnią się liczbą i kolejnością nukleotydów, kształtem przestrzennym i funkcją. Wszystkie bezpośrednio lub pośrednio biorą udział w odczytywaniu informacji genetycznej. Najważniejszą funkcją RNA jest udział w ekspresji genów, czyli w odczytywaniu informacji zawartej w DNA. Główną rolę odgrywają tu mRNA, rRNA i tRNA.
| Rodzaj | Gdzie | Budowa i rola |
|---|---|---|
| mRNA (informacyjny, ang. messenger) | wszystkie organizmy | Stanowi 4–5% RNA komórki. Jest jedynym RNA kodującym, bo niesie informację o budowie białek. Przenosi tę informację z miejsca przechowywania do miejsca syntezy białek (u eukariontów głównie z jądra do cytoplazmy). Tam łączy się z rybosomami i jest matrycą. Jest jednoniciowy i krótkotrwały; zwykle liczy 1000–2000 nukleotydów. |
| rRNA (rybosomowy, ang. ribosomal) | wszystkie organizmy | Jest go w komórce najwięcej. Buduje rybosomy — kompleksy nukleoproteinowe syntetyzujące białka zgodnie z mRNA. Jedne cząsteczki pełnią funkcję budulcową, inne katalityczną (rybozymy). Przykład rybozymu: transferaza peptydylowa w dużej podjednostce, łącząca aminokwasy w białko. Rybosom ma dwie podjednostki, dużą i małą, które łączą się tylko na czas syntezy białka. |
| tRNA (transportujący, ang. transfer) | wszystkie organizmy | Dostarcza aminokwasy (substraty syntezy białka) do rybosomów. Małe cząsteczki o długości 74–90 nukleotydów. Jedna cząsteczka rozpoznaje, wiąże i przenosi tylko jeden rodzaj aminokwasu. Aminokwas przyłącza się do końca 3′ z wolną grupą –OH, która tworzy wiązanie estrowe z grupą –COOH aminokwasu. Ma antykodon — trzy nukleotydy rozpoznające komplementarny kodon w mRNA. |
| snRNA (mały jądrowy) | tylko eukarionty | uczestniczy w dojrzewaniu mRNA |
| miRNA (mikroRNA) | tylko eukarionty | reguluje ekspresję genów przez degradację mRNA lub blokowanie translacji |
| siRNA (mały interferujący) | tylko eukarionty | reguluje ekspresję genów, m.in. przez degradację mRNA; jest jednym z elementów obrony komórki przed wirusami RNA |
Podział ilościowy: RNA kodujący (mRNA) to 4–5% całości. RNA niekodujący (rRNA, tRNA, snRNA, siRNA, miRNA i inne rodzaje) to 95–96%. W mRNA brak fragmentów dwuniciowych. W rRNA i tRNA mogą one powstawać, gdy łączą się komplementarne nukleotydy tej samej nici (A z U, G z C). Te fragmenty decydują o kształcie przestrzennym cząsteczki.

Gdzie w komórce jest RNA
- Eukarionty: RNA jest w jądrze, cytozolu i organellach półautonomicznych (mitochondriach i chloroplastach). W jądrze powstają wszystkie rodzaje RNA, przy czym rRNA tworzy się w jąderku. Wszystkie RNA oprócz rRNA przechodzą przez pory jądrowe do cytozolu. rRNA łączy się w jąderku z białkami w podjednostki rybosomów, które także trafiają do cytozolu. Niektóre cząsteczki, np. snRNA, wędrują w obie strony.
- W mitochondriach i chloroplastach powstają własne mRNA, tRNA i rRNA (dla rybosomów organellowych). Służą do ekspresji genów genomu mitochondrialnego i chloroplastowego.
- Prokarionty nie mają jądra ani innych organelli, więc całe ich RNA jest w cytoplazmie.
- Ilość RNA w komórce się zmienia, ale zawsze utrzymuje się równowaga między syntezą nowych cząsteczek a rozkładem niepotrzebnych.
RNA jako materiał genetyczny
- Wiroidy to pasożyty roślin. Ich RNA jest jednoniciowy, zamknięty (kolisty) i liczy kilkaset nukleotydów. Ma fragmenty dwuniciowe utworzone przez komplementarne nukleotydy tej samej nici.
- Wirusy RNA mają RNA jednoniciowe (ssRNA) lub dwuniciowe (dsRNA). Należy do nich większość wirusów atakujących rośliny, np. wirus mozaiki tytoniu. Należą też niektóre wirusy zwierzęce, np. wirusy grypy, HIV i SARS-CoV-2. Wirus grypy ma osłonkę lipidową, pod nią kapsyd, a w środku RNA.
Organizacja DNA w genomie
Nić DNA jest bardzo długa, więc musi zostać upakowana: helisa → nawinięcie na białka (histony) = nukleosom → chromatyna → chromosom. Dzięki temu metry DNA mieszczą się w jądrze. U człowieka DNA znajduje się głównie w jądrze, a niewielka ilość poza nim — w mitochondriach (u roślin także w chloroplastach).
Łącznie DNA w jądrze komórki człowieka ma ok. 2 m długości, a jądro ma średnicę zaledwie 5–8 µm. Zmieszczenie DNA umożliwia wiązanie go z białkami histonowymi. DNA związane z białkami to chromatyna. Upakowanie przebiega w kilku stopniach:
| # | Stopień | Opis |
|---|---|---|
| 1 | wolna helisa DNA | DNA jest wolne (nieupakowane) tylko podczas replikacji |
| 2 | nukleosom | Odcinek DNA owija się wokół rdzenia z czterech par zasadowych białek histonowych. Jeden histon łącznikowy działa jak klamra: nie pozwala nukleosomowi się rozpaść ani rozwinąć. Nukleosomy oddziela krótki DNA łącznikowy. Taka „nić nukleosomów” skraca DNA ok. 7 razy. |
| 3 | włókno 30 nm (solenoid) | Między podziałami nić nukleosomów zwija się w helisę, a nukleosomy łączą się dzięki histonom i białkom niehistonowym. DNA zajmuje wtedy 40 razy mniej miejsca niż przed upakowaniem. |
| 4 | pętle | na początku podziału włókna chromatyny układają się w pętle utrzymywane przez łączące je białka |
| 5 | włókna 300 nm | pętle zwijają się spiralnie |
| 6 | chromosom skondensowany | Przypomina krótką pałeczkę. Przy największej kondensacji DNA jest krótsze ok. 9 tys. razy. |
| 7 | chromosom w dzielącej się komórce | dwie jednakowe cząsteczki DNA, czyli chromatydy siostrzane, połączone w centromerze; po obu stronach centromeru leżą ramiona chromosomu |

Chromatyna między podziałami. W tym czasie (poza fazą S) chromatyna ma postać mniej lub bardziej upakowanych włókien 30 nm. Występuje w dwóch postaciach:
- euchromatyna — luźno upakowana. Uważa się, że zawiera geny aktywne; przy odczytywaniu informacji rozluźnia się dodatkowo. W obrazie spod TEM jest rozproszona po jądrze.
- heterochromatyna — ściśle upakowana. Uważa się, że zawiera geny nieaktywne i większość pozagenowego DNA. Leży zwykle pod otoczką jądrową i wokół jąderka.
Chromatyna w czasie podziału. Chromosomy widać w mikroskopie optycznym już w profazie, a najsilniej skondensowane są w metafazie. Ich wyodrębnienie warunkuje dokładny rozdział materiału genetycznego do komórek potomnych. W regulacji stopnia upakowania chromatyny uczestniczy niekodujący RNA.
Replikacja DNA — powstają dwie takie same cząsteczki
Podczas replikacji (faza S) nici helisy rozplatają się, a na każdej z nich — zgodnie z komplementarnością — dobudowywana jest nić nowa. Replikacja jest półzachowawcza (semikonserwatywna): każda z dwóch cząsteczek potomnych ma jedną nić starą (matrycową) i jedną nowo powstałą.
Znaczenie. Replikacja podwaja ilość DNA w komórce i daje dwie identyczne kopie materiału genetycznego. W podziale (faza M) trafiają one do komórek potomnych. Dlatego replikacja jest podstawą przekazywania informacji genetycznej komórkom i organizmom potomnym. Zachodzi przed każdym podziałem komórki, co pozwala organizmom rosnąć i się rozmnażać. To proces anaboliczny katalizowany przez enzymy. Udział biorą DNA macierzysty (matryca) i wolne nukleotydy (substraty).
Przykład. Na matrycy o sekwencji G T A A T G T A G T A A powstaje nić komplementarna. Podstawiamy A↔T, G↔C (to DNA, więc T, nie U):
| Nić matrycowa (stara) | Nić nowa |
|---|---|
| G T A A T G T A G T A A | C A T T A C A T C A T T |
Uwaga: wynik z U (np. CAUUACAUCAUU) byłby błędny — uracyl występuje w RNA, a nie w DNA.
| Enzym | Rola w replikacji |
|---|---|
| helikaza DNA | rozplata helisę, rozrywając wiązania wodorowe między niciami |
| prymaza (polimeraza RNA) | na matrycy DNA tworzy startery — krótkie odcinki RNA (ok. 10 nukleotydów), syntetyzowane w kierunku 5′ → 3′ |
| polimerazy DNA | Budują nową nić na matrycy starej, zawsze w kierunku 5′ → 3′, na matrycy o polarności 3′ → 5′. Same nie zaczynają syntezy — tylko dokładają nukleotydy do końca 3′ istniejącego łańcucha, np. startera. |
| ligaza | łączy nowe fragmenty nici w jeden ciągły łańcuch |
Przebieg u pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), gdzie mechanizm poznano najlepiej. E. coli ma pięć polimeraz DNA (I–V); główną rolę grają III i I. Chromosom ma postać kolistego DNA o długości 4,6 mln pz. Kopiuje się przed każdym podziałem w niecałe 40 minut, z jednego miejsca inicjacji.
- Inicjacja. Białko regulatorowe przyłącza się do miejsca inicjacji replikacji, czyli miejsca ori (ang. origin of replication). Na krótkim odcinku helisa się rozplata i powstaje oczko replikacyjne. Jego boki mają kształt litery Y — to widełki replikacyjne. Dołączają się tu kolejne białka potrzebne w następnym etapie.
- Elongacja. Helikazy rozrywają wiązania wodorowe. Widełki rozchodzą się w dwie przeciwne strony, a oczko rośnie — replikacja jest dwukierunkowa. Prymaza tworzy startery na obu niciach, a do ich końców 3′ przyłącza się polimeraza III i buduje nić komplementarną. Replikowany odcinek DNA to replikon.
Nici są antyrównoległe, a synteza idzie tylko 5′ → 3′, więc obu nowych nici nie da się budować w sposób ciągły w stronę widełek:
• nić wiodąca rośnie w sposób ciągły w stronę widełek; starter wstawia się na niej tylko raz;
• nić opóźniona rośnie w przeciwną stronę, z wielu kolejnych startów. Startery wstawiane są mniej więcej co 1000 nukleotydów, a powstają krótkie fragmenty Okazaki, nazwane od odkrywcy.
Polimeraza I wycina startery i wypełnia luki nukleotydami DNA, a ligaza łączy fragmenty Okazaki. Wydłużanie trwa, aż skopiowana zostanie cała cząsteczka. - Terminacja. Koniec wyznaczają sekwencje terminacyjne, leżące u E. coli naprzeciw miejsca ori. Tam białka replikacyjne odłączają się od DNA i powstają dwie identyczne cząsteczki.
Replisom to duży kompleks białkowy powstający w rejonie widełek. Tworzą go prymosom (mniejszy kompleks, m.in. helikaza i prymaza) oraz polimeraza III. Połączenie enzymów pozwala im działać precyzyjnie i zgodnie. Helikaza rozplata helisę, prymaza wstawia startery, a tuż za nią polimeraza III buduje DNA od końców 3′ starterów. Replisom E. coli pracuje z szybkością ok. 2000 pz/s.

| Cecha | Prokarionty (E. coli) | Eukarionty |
|---|---|---|
| kształt chromosomu | kolisty | liniowy |
| miejsca ori | jedno; synteza w obu kierunkach | wiele w jednym chromosomie, więc wiele oczek naraz; synteza w obu kierunkach |
| polimerazy DNA | 5 (I–V); główne III i I | co najmniej 9, oznaczane literami greckimi. Główne to α i δ. Polimeraza α ma aktywność prymazy: tworzy startery RNA i wydłuża je o ok. 20 nukleotydów DNA. Dalej syntezę prowadzi polimeraza δ. |
| zakończenie | sekwencja terminacyjna naprzeciw ori | Słabo poznane. Przypuszcza się, że widełki spotykają się w przypadkowych miejscach i tam odłączają się białka. Wszystkie oczka muszą się połączyć. |
| ilość DNA | 4,6 mln pz | komórka somatyczna człowieka — ok. 3 mld pz; wiele miejsc startu znacznie skraca czas replikacji |
Replikacja u eukariontów jest znacznie bardziej złożona, choć ogólny przebieg jest podobny. Największe różnice dotyczą inicjacji i terminacji.
Końce chromosomów — telomery. Liniowe DNA eukariontów skraca się przy każdej replikacji. Po usunięciu ostatniego startera na końcu nici opóźnionej polimeraza nie może uzupełnić tego fragmentu. Końce odbudowuje telomeraza: dokłada nukleotydy do końca matrycy nici opóźnionej. Powstają sekwencje telomerowe (telomery) — wiele razy powtórzone krótkie odcinki o tej samej kolejności zasad. Telomeraza działa w komórkach embrionalnych, linii płciowej i macierzystych. W większości dojrzałych komórek jest nieaktywna, więc ich telomery stopniowo się skracają. Tracone są jednak wcześniej utworzone telomery, a nie sekwencje kodujące genów. Telomeraza nie działa też w komórkach starzejących się, w których podziały i replikacja są zahamowane. W komórkach nowotworowych zwykle ulega ponownej aktywacji.
Korekta błędów. Polimeraza wstawia błędny nukleotyd mniej więcej raz na 100 tys. poprawnych. Kontroluje jednak swoją pracę:
- przyłącza nukleotyd (czasem niewłaściwy);
- sprawdza parę z nicią matrycową i usuwa błędny nukleotyd;
- wstawia właściwy;
- kontynuuje syntezę.
Dzięki temu zostaje ok. 1 błąd na 100 mln nukleotydów.
Regulacja. Replikacja zachodzi tylko raz przed każdym podziałem. Białka startujące odłączają się od DNA zaraz po utworzeniu oczka, co zapobiega powstawaniu wielu kopii. W niekorzystnych warunkach replikacja jest wstrzymywana. Przy uszkodzeniu DNA (np. przez promieniowanie jonizujące) powstają białka naprawcze. Zatrzymują one replikację do czasu usunięcia uszkodzeń, by nie powstały wadliwe cząsteczki DNA.
Dodatkowo: replikacja RNA u wirusów
Niektóre wirusy RNA, m.in. koronawirusy, powielają swój RNA. Robi to polimeraza RNA zależna od RNA, kodowana przez genom wirusa. Uproszczony cykl koronawirusa:
- adsorpcja — glikoproteiny osłonki rozpoznają receptory na powierzchni komórki i wiążą się z nimi;
- wnikanie — kapsyd z materiałem genetycznym wchodzi do cytoplazmy i rozpada się, uwalniając ssRNA;
- replikacja RNA — polimeraza RNA powiela genom (przez dsRNA) i powstają nowe genomy ssRNA;
- translacja — białka wirusa powstają na rybosomach gospodarza (na podstawie mRNA);
- składanie — z elementów powstają nowe wirusy;
- uwolnienie — wirus opuszcza komórkę.
Jak udowodniono semikonserwatywność — Meselson i Stahl (1958, USA)
| Model | Cząsteczki potomne | Przewidywania (wirowanie) |
|---|---|---|
| konserwatywny (zachowawczy) | jedna ma obie nici stare, druga obie nowe | po 1. rundzie: dwa pasma tej samej grubości — u góry (14N–14N) i u dołu (15N–15N); po 2. rundzie: grubsze u góry, cieńsze u dołu |
| semikonserwatywny (półzachowawczy) | każda ma jedną nić starą i jedną nową | po 1. rundzie: jedno pasmo pośrodku (14N–15N); po 2. rundzie: dwa pasma tej samej grubości — u góry i pośrodku |
| dyspersyjny (przypadkowy) | każda składa się z fragmentów nici starej i nowej | po 1. rundzie: jedno cieńsze pasmo pośrodku; po 2. rundzie: jedno grubsze pasmo pośrodku |
Problem: który z trzech modeli opisuje replikację? Hipoteza: model semikonserwatywny.
Metoda. Bakterie hodowano na podłożu z ciężkim izotopem azotu (15N), a potem przenoszono na podłoże z lekkim (14N). Nowe nici wbudowywały azot dostępny w podłożu. Stare nici zawierały więc zawsze 15N, a nowe — zawsze 14N. Badano DNA po pierwszym i drugim podziale.
Cząsteczki rozdzielano wirowaniem w gradiencie gęstości chlorku cezu (CsCl). Gęstość stężonego roztworu rośnie ku dnu probówki. Każda cząsteczka DNA zatrzymuje się tam, gdzie jej gęstość równa się gęstości roztworu, i tworzy pasmo. DNA z 15N jest gęstsze, więc układa się bliżej dna.
Wynik: po 1. rundzie jedno pasmo pośrodku, po 2. rundzie dwa pasma — u góry i pośrodku. Próby kontrolne: hodowla stale na 14N daje pasma tylko u góry, a stale na 15N — tylko u dołu.
Wniosek: wynik zgadza się z modelem semikonserwatywnym, więc replikacja DNA jest semikonserwatywna.
Geny — budowa
U wszystkich organizmów i większości wirusów gen to fragment DNA niosący informację potrzebną do wytworzenia białka lub RNA.
- Geny kodujące białka. Jeden gen koduje jeden łańcuch polipeptydowy. Jeśli białko ma kilka różnych łańcuchów (podjednostek), każdy jest zapisany w innym genie.
- Geny kodujące RNA kodują wszystkie rodzaje RNA z wyjątkiem mRNA.
Każdy gen ma części strukturalne i części regulatorowe. Części regulatorowe uczestniczą w regulacji odczytywania informacji. U eukariontów część strukturalna jest podzielona na:
- eksony — kodują kolejność aminokwasów w białku lub nukleotydów w RNA;
- introny — nie pełnią funkcji kodujących.
Introny i części regulatorowe to sekwencje niekodujące genu. Ich udział zależy od organizmu. U prostych organizmów, np. drożdży, stanowią niewielką część genu. U bardziej złożonych, np. kręgowców, są znacznie dłuższe od sekwencji kodujących i mogą przekraczać 90% genu.
| Typ genu | Budowa | Gdzie głównie |
|---|---|---|
| gen ciągły | brak intronów; środek genu to wyłącznie sekwencje kodujące, otoczone częściami regulatorowymi | prokarionty |
| gen nieciągły | eksony przeplatane intronami, otoczone częściami regulatorowymi | eukarionty |
Genom — komplet informacji genetycznej
Genom to cała informacja genetyczna komórki zapisana w DNA. Tym słowem nazywa się też materiał genetyczny wirusów (RNA lub DNA) i wiroidów (RNA). Genom tworzą geny oraz odcinki DNA między nimi, czyli pozagenowy DNA. Liczba genów i ilość pozagenowego DNA są cechami gatunkowymi. U człowieka pozagenowy DNA to ok. 70% genomu.
| Geny | DNA pozagenowy | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| eksony | introny | części regulatorowe | sekwencje powtarzalne | pseudogeny | pozostałe sekwencje |
- Sekwencje powtarzalne to odcinki o długości nawet 10 tys. pz z powtarzającymi się sekwencjami nukleotydów. Występują m.in. w centromerach (sekwencje centromerowe) i telomerach (sekwencje telomerowe). Ich funkcje są wciąż intensywnie badane.
- Pseudogeny to fragmenty podobne do genów. Uważa się, że kiedyś były czynnymi genami.
- Liczba genów nie zależy od wielkości genomu. U organizmów o złożonej budowie dużą część genomu zajmuje pozagenowy DNA, a geny mają introny, co dodatkowo powiększa genom.
Genom komórki prokariotycznej
- Chromosom bakteryjny to zwykle jedna cząsteczka DNA o wielkości kilku mln pz, najczęściej kolista. U niektórych bakterii chromosom tworzy więcej cząsteczek, np. u przecinkowca cholery (Vibrio cholerae) dwie. Chromosom leży w obszarze cytozolu zwanym nukleoidem. Mieści się tam dzięki białkom, które tworzą centralny rdzeń, z którego promieniście wychodzi 40–50 skręconych pętli DNA.
- Plazmidy to znacznie mniejsze, najczęściej koliste cząsteczki DNA. Ich geny dotyczą cech przydatnych, ale nie zawsze niezbędnych, np. oporności na antybiotyki. Bakteria może mieć jeden lub wiele plazmidów, a każdy nawet w kilkudziesięciu kopiach. Plazmidy replikują się niezależnie od chromosomu. Dlatego część badaczy uważa, że nie należą do genomu prokariotycznego.
| Plazmid | Wielkość | Bakteria | Cecha |
|---|---|---|---|
| Col E1 | 6,6 tys. pz | pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) | wytwarzanie toksyny zabijającej inne bakterie |
| RP4 | 60 tys. pz | pałeczka ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa) | oporność na tetracyklinę |
| Ti | 206 tys. pz | Agrobacterium tumefaciens | wywoływanie guzowatych narośli na korzeniach roślin dwuliściennych |
Ciekawostka: najmniejsze genomy bakterii mają pasożyty i symbionty. Rekordzistka Tremblaya princeps żyje w symbiozie z owadami z rzędu pluskwiaków. Jej genom ma 140 tys. pz i tylko 120 genów.
Genom komórki eukariotycznej
- Genomy eukariontów są bardzo duże: od kilku mln do nawet 100 mld pz. Wielkość wiąże się przede wszystkim ze złożonością organizmu. Najmniejsze mają proste eukarionty, m.in. grzyby, a największe — zaawansowane ewolucyjnie kręgowce i rośliny okrytozalążkowe.
- Genom jądrowy to przeważająca część genomu. Tworzą go chromosomy eukariotyczne, czyli długie liniowe cząsteczki DNA związane z histonami. Liczba chromosomów to cecha gatunku — najczęściej mieści się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu; w komórkach somatycznych człowieka jest ich 46. Genom jądrowy koduje niemal wszystkie białka i cząsteczki RNA komórki.
- Genom organellowy obejmuje genom mitochondrialny i chloroplastowy. Replikuje się niezależnie od jądrowego. Przypomina genom prokariotyczny: zwykle tworzą go koliste cząsteczki DNA z białkami niehistonowymi, obecne w wielu kopiach (np. 10–100 cząsteczek w mitochondrium). Jego geny kodują tylko część białek i RNA potrzebnych organellum; resztę koduje genom jądrowy. Dlatego mitochondria i chloroplasty to organella półautonomiczne.
- Niektóre eukarionty, np. drożdże Saccharomyces cerevisiae, mają też plazmidy. Ich geny pozwalają np. syntetyzować nukleotydy, gdy brakuje ich w środowisku.
- W komórce zwierzęcej genom leży w jądrze i mitochondriach, a w roślinnej — w jądrze, mitochondriach i chloroplastach.
- Genom mitochondrialny człowieka to kolista cząsteczka DNA o długości 16 569 pz z 37 genami. Jest mały, bo jego geny nie mają intronów, a w jednym miejscu dwa geny zachodzą na siebie. Koduje tRNA i rRNA mitochondriów oraz część białek łańcucha oddechowego.
| Organizm | Wielkość genomu jądrowego [mln pz] | Szacowana liczba genów |
|---|---|---|
| drożdże Saccharomyces cerevisiae | 12,1 | 6100 |
| ryż | 466 | 40 000 |
| nicień Caenorhabditis elegans | 97 | 19 000 |
| muszka owocowa | 180 | 14 000 |
| kura domowa | 1200 | 20 000 |
| człowiek | 3200 | 20 000 |
Tabela pokazuje, że liczba genów nie rośnie razem z wielkością genomu: ryż ma więcej genów niż człowiek.
Haplonty, diplonty i ilość DNA w cyklu komórkowym
Haplonty (m.in. bakterie i niektóre protisty) mają genom pojedynczy (haploidalny, 1n). Diplonty (większość eukariontów, m.in. człowiek) mają genom podwójny (diploidalny, 2n). Bakteria przed replikacją ma jedną kopię genomu (1n, 1c), a po replikacji dwie (1n, 2c).
| Komórki człowieka | Zmiany |
|---|---|
| linii somatycznej (budują ciało, 2n, dzielą się mitotycznie) | 2n, 2c (jedna kopia genomu, łącznie 3200 mln pz) → replikacja → 2n, 4c (dwie kopie, 6400 mln pz) → mitoza → dwie komórki 2n, 2c (po 3200 mln pz) |
| linii płciowej (tworzą gamety, dzielą się mejotycznie, z redukcją 2n → 1n) | 2n, 2c (3200 mln pz) → replikacja → 2n, 4c (6400 mln pz) → I i II podział mejotyczny → cztery komórki 1n, 1c (pojedynczy genom, 1600 mln pz) |
Genomy wirusów
Genomy wirusów to DNA lub RNA. Liczba genów jest różna: od 3 u najprostszych wirusów do ponad 200 u wirusów o złożonej budowie. Wirusom wystarcza niewiele genów, bo korzystają z informacji genetycznej zakażonej komórki (gospodarza). Ich geny mogą zachodzić na siebie, co pozwala ciaśniej upakować informację. Takie geny mają wspólne sekwencje nukleotydów, ale kodują różne białka.
Przykład: genom bakteriofaga ΦX174 to kolista, jednoniciowa cząsteczka DNA o długości 5386 nukleotydów (ok. 5,4 tys.). Ma 11 genów (A–H), z których część zachodzi na siebie (A i B, D i E). Pozagenowy DNA to tylko 5% genomu.
| Rodzaj kwasu | Liczba nici | Struktura |
|---|---|---|
| RNA lub DNA | jednoniciowy, dwuniciowy lub jednoniciowy z fragmentami dwuniciowymi | liniowy lub kolisty |
Co różni DNA organizmów; gdzie powstają białka
DNA myszy i kota (i wszystkich organizmów) jest zbudowane z tych samych 4 zasad, takich samych nukleotydów i takich samych wiązań. Pod względem chemicznym różni je sekwencja (kolejność) zasad azotowych — i to ona niesie inną informację genetyczną. Gatunki różnią się też wielkością genomu, liczbą genów i liczbą chromosomów.
Informacja z DNA jest realizowana w białkach. Białka powstają podczas translacji na rybosomach (zbudowanych m.in. z rRNA) — to one bezpośrednio uczestniczą w łączeniu aminokwasów. Szczegóły w lekcji 12.3.
Sprawdź się
1. Cytozyna stanowi 18% zasad dwuniciowego DNA. Ile procent stanowi adenina? Rozwiązanie: G = 18%, G + C = 36%, A + T = 64%, więc A = 32%.
2. Zapisz nić komplementarną do 5′-GCCATCATCCTTACC-3′. Rozwiązanie: 3′-CGGTAGTAGGAATGG-5′.
3. Podaj dwie różnice między replikacją u prokariontów i eukariontów. Przykładowo: jedno miejsce ori kontra wiele; chromosom kolisty kontra liniowy (patrz tabela w części o replikacji).
- Dwa wiązania: fosfodiestrowe łączą nukleotydy wzdłuż nici, wodorowe łączą zasady między nićmi. Pytanie „co łączy nukleotydy w łańcuchu?” → fosfodiestrowe.
- Chargaff: A = T i G = C. Najpierw policz parę, którą znasz, potem odejmij od całości i podziel przez 2. Reguła dotyczy tylko DNA dwuniciowego.
- Replikacja półzachowawcza — każda cząsteczka potomna ma 1 nić starą + 1 nową (nie „dwie stare i dwie nowe”).
- Nić nowa w DNA ma T, nie U — U pojawia się dopiero w RNA (transkrypcja).
- Organizmy różni kolejność zasad, a nie rodzaj zasad czy budowa nukleotydów.
- A łączy się z T, G z C — nie „A z G”. Zawsze purynę z pirymidyną.
- W RNA jest uracyl (U), nie tymina; RNA jest zwykle jednoniciowe (fragmenty dwuniciowe bywają, a dsRNA mają m.in. niektóre wirusy).
- Deoksyryboza w DNA, ryboza w RNA — nie mylić cukrów.
- Kolejność upakowania: helisa → nukleosom → chromatyna → chromosom.
- DNA jest też poza jądrem — w mitochondriach (i chloroplastach roślin).
- Polimeraza DNA nie zaczyna sama — potrzebuje startera RNA od prymazy i dokłada nukleotydy tylko do końca 3′. Synteza zawsze biegnie 5′ → 3′.
- Fragmenty Okazaki powstają na nici opóźnionej, a nie wiodącej. Starter na nici wiodącej wstawia się raz.
- U E. coli polimeraza III buduje nici, a polimeraza I usuwa startery i wypełnia luki. U eukariontów główne są α i δ.
- Nukleosom to 4 pary histonów (8 cząsteczek) plus nawinięty DNA. Histon łącznikowy jest osobnym, dodatkowym białkiem.
- Kodującym RNA jest tylko mRNA (4–5%). Geny kodujące RNA odpowiadają za wszystkie rodzaje RNA poza mRNA.
- snRNA, miRNA i siRNA występują tylko u eukariontów; mRNA, rRNA i tRNA — u wszystkich organizmów.
- Genom organellowy tworzą zwykle koliste cząsteczki DNA z białkami niehistonowymi, a jądrowy — liniowe cząsteczki z histonami.
- Większy genom nie oznacza więcej genów (ryż 40 000 genów, człowiek ok. 20 000).
Mini-powtórka — zapamiętaj 5 rzeczy
- Nukleotyd = cukier + reszta fosforanowa + zasada azotowa.
- Komplementarność: A–T, G–C (wiązania wodorowe), nici antyrównoległe.
- RNA: zwykle jedna nić, ryboza, uracyl zamiast tyminy; mRNA, tRNA, rRNA.
- Upakowanie: helisa → nukleosom → chromatyna → chromosom.
- Replikacja jest semikonserwatywna: każda z dwóch nowych cząsteczek DNA ma jedną nić starą (matrycową) i jedną nową — dowiodło tego doświadczenie Meselsona i Stahla.
