Katagoria: Klucz do DNA: Tradycyjne spojrzenie, opublikowano 5 lat temu.

Zasady azotowe


 

Już na początku rozszyfrowania alfabetu kodu życia napotykamy pierwszą zagadkę. Na całą różnorodność organizmów żywych mają wpływ tylko cztery rodzaje liter – zasad azotowych, zwanych nukleotydami. Zastanówmy się dlaczego tak jest.

 

1.01. Zasady azotowe

Aby stać się stabilnym przekaźnikiem informacji genetycznej, jak ogniwa łańcucha lub każda z cegiełek w murze, nić DNA musi spełniać kilka warunków:

  • musi wykorzystywać łatwo dostępny materiał,
  • musi być prosta w budowie,
  • musi być wytrzymała – elastyczna, a jednocześnie mało podatna na rozerwanie,
  • musi być mało podatna na zmiany wewnętrznej struktury, zachowując kolejność wiązań przenoszących informację,
  • musi mieć zdefiniowany kierunek odczytywania informacji genetycznej,
  • musi zapewniać łatwy dostęp innym, przyłączanym cząstkom.

 

Wszystkie te warunki wypełnia kwas deoksyrybonukleinowy, a nazwa DNA pochodzi od skrótu tej trudnej do wymówienia nazwy. Kwas ten składa się z węglowodanów (czyli cukrów) i fosforanów (budujących jego strukturę wiązaniami fosfodiestrowymi) oraz zasad azotowych, kodujących informację genetyczną. Można powiedzieć, że to opakowanie i zawartość.

Rys. 1. Schemat połączenia cukru z grupą fosforową

Rys. 1. Schemat połączenia cukru z grupą fosforową

Główne składniki zasad azotowych – będących cegiełkami kodu życia – to: tlen, wodór oraz azot i węgiel. Jeżeli spojrzymy na skład obecnej atmosfery naszej planety, to okaże się, że budują ją dwa z nich: azot to 78,084% objętości powietrza, a tlen 20,946%. Tylko, że w powietrzu wodoru jest mniej niż 1%. Jednakże tlen i wodór to również główne składniki wody, źródłem azotu jest azot z atmosfery, a węgla dwutlenek węgla. To krótkie śledztwo prowadzi nas do wniosku, że miejscem powstania życia była woda. Tak więc pierwszy warunek został spełniony – woda (co prawda słona) zajmuje na naszej planecie większą część powierzchni.

Dwie dwuperścieniowe zasady, które nazwano purynami, są strukturami większymi. To adenina i guanina. Dwie mniejsze, jednopierścieniowe zasady nazwano pirymidynami. Są to cytozyna i tymina. Dla uproszczenia nukleotydom tym przypisano pierwsze litery ich nazwy zasadowej. I tak kod DNA zyskał znaną nam postać alfabetu:

A    – od puryny adeniny
G    – od puryny guaniny
C    – od piramidyny cytozyny
T    – od piramidyny tyminy

W tym miejscu należy wspomnieć, że z tyminą mamy do czynienia jedynie w nici DNA. W czasie reprodukcji, gdy nić DNA jest zastępowana nicią RNA dochodzi do wymiany tyminy na uracyl. Dochodzi do tego na skutek działania kwasu azotawego. A jak trwała jest cząsteczka uracylu może świadczyć fakt, że wykryto ją w meteorycie – czyli wytrzymała zabójcze promieniowanie kosmiczne i mróz. Jeżeli więc na następnych stronach spotkacie się z literą U zamiast T – to proszę pamiętać, że obydwie litery dotyczą tego samego połączenia.

U    – od piramidyny uracyl

2. Od góry dwuperścieniowe zasady purynowe adenina i guanina. Na dole jednopierścieniowe zasady piramidyny cytozyna i tymina. Obok tyminy zasada zastępująca ją w RNA –  uracyl

Rys. 2. Od góry dwuperścieniowe zasady purynowe adenina i guanina. Na dole jednopierścieniowe zasady piramidyny cytozyna i tymina. Obok tyminy zasada zastępująca ją w RNA –  uracyl

 

Mała liczba rodzajów cegiełek

Nie należy się martwić, że nasze życie zbudowano z małej części znanych rodzajów cegieł. Każdy architekt potwierdzi, że to wystarczająca liczba brył, by zbudować budynki z oknami o najbardziej fantazyjnych kształtach i odmiennym przeznaczeniu. A w epoce klocków LEGO wiedzą o tym już dzieci… Mamy okna połaciowe i balkonowe. Tak małe jak świetliki i tak duże jak witryny. Lukarny, czyli pionowe okna doświetlające poddasze oraz wole oko. Portfenetry sięgające od podłogi po sufit oraz okna nadświetle, usytuowane nad drzwiami.

 

1.01.01. Stałe wiązania

W niciach DNA puryna zawsze łączy się z odpowiednią piramidyną, a piramidyna z odpowiednią puryną. Połączenie puryny z puryną byłoby zbyt duże, by zmieścić się w skręconej nici DNA, natomiast połączenie piramidyn zbyt małe. Inne sposoby wiązań są niemożliwe. Tym samym został spełniony drugi i następne warunki – prostoty budowy, elastyczności i małej podatności na zmiany.

Na poziomie atomowym rzecz polega na wytworzeniu wiązań wodorowych Atomy o ładunku ujemnym (jak tlen czy azot) są przyciągane elektrostatycznie przez atomy wodoru. Ograniczenie tych wiązań do czterech wynika z geometrii zasad oraz położenia atomów mogących uczestniczyć w utworzeniu wiązania wodorowego. Zestawienie par zasadowych przybiera jedynie postać, jak na rysunku 3.

Połączenie C z G (oraz G z C) jest mocniejsze, gdyż związane trzema wiązaniami wodorowymi. Natomiast połączenie A z T (T z A) jest słabsze, gdyż łączy się dwoma wiązaniami.

To ścisłe powiązania mają jednak luki. Słabe punkty wiązania to zasady A i C. Zasada A może zastąpić zasada G, a C może zostać wymieniona przez T.
para A – T (U) mutuje w G – T
para C – G mutuje w T (U) – G

 

Rys. 3. Połączenia nukleotydów w parę zasad. Puryna G łączy się z piramidyną C (lub odwrotnie: piramidyna C łączy się z puryną G) oraz puryna A łączy się z piramidyną T, a w nici RNA z piramidyną U (lub odwrotnie piramidyna T lub U łączy się z puryną A

Rys. 3. Połączenia nukleotydów w parę zasad. Puryna G łączy się z piramidyną C (lub odwrotnie: piramidyna C łączy się z puryną G) oraz puryna A łączy się z piramidyną T, a w nici RNA z piramidyną U (lub odwrotnie piramidyna T lub U łączy się z puryną A

Głównie to te zmiany są odpowiedzialne za mutacje. Przyczyna wzniesienia człowieka na szczyt drabiny ewolucyjnej, lecz jednocześnie często powód naszych chorób. Zapamiętajmy o możliwości tych mutacji do dalszych rozważań.

Być może dlatego tak prosty, ledwo czteroliterowy alfabet to nie zagadka, a konieczność? Ograniczenie liczby elementów, z których można zbudować życie, jest równoznaczne ograniczeniem liczby błędów możliwych do popełnienia przy ich dalszych transformacjach. A tych ich sporo, o czym się jeszcze przekonamy.

 

1.01.02. Budowa podwójnej helisy

Jak wygląda opakowanie cegiełek zasad azotowych podpowiedzieli nam James Watson i Francis Crick w 1953 roku. Od tej pory każdy zna pojęcie podwójnej helisy – skręconej w spiralę podwójnej nici DNA. Helisa jest prawoskrętna, a jeden obrót następuje co 10 zasad azotowych.
Oprócz podwójnej nici DNA w jądrach komórkowych oraz cytoplazmie można też odnaleźć jednoniciowe łańcuchy cząsteczek RNA. To wtedy zasada tymina zostaje zamieniona na uracyl (T na U). Pełnią one ważne funkcje w czasie przepisywanie informacji i wielokrotnie będę się do nich odwoływał.

Rys. 4. Połączenie par zasadowych w łańcuchu DNA

Rys. 4. Połączenie par zasadowych w łańcuchu DNA

1.01.02.01. Przyciąganie się nici DNA

Można zapytać, dlaczego różne cząsteczki – chromosomów, nici DNA, cząsteczek białek, RNA, czy choćby swobodni jeźdźcy transpozony – miałyby się rozpoznawać, przyciągać i dążyć do różnorodnych interakcji? Nieoczekiwaną podpowiedzią mogą być obserwacje naukowców z Imperial College London oraz National Institute of Child Health and Human Development w Bethesda. Zaobserwowali oni, że nici DNA o identycznym ułożeniu nukleotydów przyciągają się z odległości większej, niż nici o odmiennym kodzie. I chociaż mówimy tu o odległościach milionowych częściach milimetra – 3 nm, to nadmienię, że podwójna helisa ma grubość zaledwie 2 nm.

1.01.02.02. Długość nici DNA

Nić DNA potrafi bardzo długa i u człowieka zawiera 3.200.000.000 par zasad.

Jednak porównując stopień ewolucji po liczbie nukleotydów można dojść do niepokojących wniosków. Człowiekowi najbliższa jest płaz ropucha i roślina tytoń. Tytoń co prawda dla wielu ludzi jest wciąż bliski… ale ropucha jedynie dla książąt wierzących w zaczarowane księżniczki, a tych już niewielu jest na świecie.

Najbardziej dziwi kolosalna liczba par zasadowych najczęściej spotykanych ameb, jak Amoeba dubia. Według ostatniego podziału zwierząt zaliczane są do królestwa prokariotów i żyły na Ziemi już 600 mln lat temu. Jej wielkość to zaledwie 500 μm do 1000 μm – a wielkość genomu jest 200 razy większa niż człowieka!

Czyżby więc ewolucja polegała na stosowaniu zasady brzytwy Ockhama – redukując niepotrzebne fragmenty kodu genetycznego? W pewnym stopniu tak może być – patrząc na dół tabeli, gdzie rośliny, niektóre zwierzęta i wspomniana ameba, mają większą liczbę genów, chociaż osiągnęły niższy szczebel ewolucji niż człowiek. Ale górna część tabeli pokazuje, że to nie jest tak prosta zależność. Musi by więc inny powód… Będziemy próbowali go odnaleźć w dalszych rozważaniach.

1.01.02.03. Początek czy koniec nici?

Pozostał do rozstrzygnięcia problem – gdzie jest początek, a gdzie koniec tej nici? Do dalszych rozważań jest bardzo istotne pytanie. Dlatego przyjrzyjmy się temu zagadnieniu bliżej.

Skrajne końce łańcucha kwasu nukleinowego są zakończone różnymi „końcówkami”. Dlaczego? W tym wypadku główną rolę odgrywają wiązania atomowe. Jeden nukleotyd może połączyć się wiązaniem fosfodiestrowym z drugim nukleotydem poprzez piąty atom węgla cukru prostego (pentozy) – stąd nazwa tego zakończenia 5’. A do trzeciego atomu węgla cukru prostego nie może zostać przyłączony już żaden nukleotyd – dlatego ta końcówka określana jest 3’. W ten sposób ustalono porządek czytania informacji genetycznej. Odczytywanie informacji z nici zaczyna się od końca 5’, natomiast zatrzymuje na końcu 3’.

 

Początek czy ketązcop?

Określa się, że nici są wobec siebie antyrównoległe, tzn. koniec jednego jest dokładnie naprzeciw początku drugiego. To prawda, lecz dalsze stwierdzenie mogą już prowadzić do błędnych wniosków. Bardzo często spotykam się z wnioskiem, że skoro tak jest, to czytanie zakodowane informacji można zacząć z każdego końca. A to nieprawda. Słowo początek nie jest tym samym słowem –  czytanym wspak. Nie ma słowa ketązcop. Dlatego uważam, że powinno się mówić o lustrzanym odbiciu nici DNA. A przyczyną takiego ułożenia nie jest możliwość kodowania z dowolnej strony (początku lub końca nici). Lustrzane ułożenie zasad jest sposobem weryfikacji ułożenia odpowiednich nukleotydów w odpowiednim miejscu. Co i tak nie zawsze się sprawdza…

 

1.01.02.04. Nić bezsensowna i sensowna

Gdy już wiemy, że podwójna helisa skręcona jest z dwóch pojedynczych nici DNA o różnych początkach i końcach, przyjrzyjmy się jej bliżej.
Jak widać na rysunku 5 nukleotydy matrycowej nici DNA łączą się z komplementarnymi nukleotydami, tworząc nić niematrycową. Natomiast nić RNA, która jest podstawą do odczytywania informacji o budowie białek w rybosomach, ma ułożone nukleotydy w identycznej kolejności jak nić matrycowa DNA (poza wymienionym nukleotydem T na U) – ale odwrotny kierunek odczytywania informacji.
Zwróćmy uwagę, że:

  • mimo pozornej zgodności nici matrycowej DNA z nicią RNA, nie może ona służyć do odczytywania informacji genetycznej, gdyż ma odwrotny kierunek zapisu (czytanie odbywałoby się od końca do początku kodu),
  • nić niematycowa DNA ma ten sam kierunek czytania, lecz lustrzane odbicie nukleotydów uniemożliwia prawidłowe odczytanie informacji,
  • zawartość informacji genetycznej jest identyczna z nicią matrycową DNA(nastąpiła jedynie wymiana zasady T na U), a kierunek odczytywania jest zgodny z nicią niematrycową.

Określenia nić matrycowa i nić niematrycowa wprowadzają trochę zamieszania. Nić matrycowa – czyli matryca – oznacza jedynie, że ułożenie nukleotydów jest w niej identyczne, jak w zbudowanej nici RNA. Ale ułożenie nici matrycowej w odwrotnej kolejności uniemożliwia wykonanie z niej kopii. Dopiero powiązanie nukleotydów w pary pozwala w procesie transkrypcji przenieść ułożenie kolejności nukleotydów, zachowując możliwość odczytywania jej w kolejnych procesach.

Rys. 5. Schemat podwójnej nici DNA oraz jednoniciowego RNA

Rys. 5. Schemat podwójnej nici DNA oraz jednoniciowego RNA

 

Klucz do DNA

Klucz do DNA

Odczytujemy jedynie fragmenty kodu, bardziej domyślając się – niż wiedząc, co jest pomiędzy poznanymi słowami. Brakuje nam klucza do zrozumienia języka DNA. Kiedy go znajdziemy, będziemy mogli odczytywać wiadomości, jakie mają dla nas geny.

Książka do kupienia w księgarni autorskiej

 

Podobne wpisy


Słowa kluczowe: , , ,

Licznik: 6689


 
Share This