Copyright

© Waldemar Lewiński 2014

© Jan Prokop 2014

© Jacek Balerstet 2014

© Teresa Borowska 2014

Menadżer projektu i redaktor prowadzący – Dagmara Lewińska

Opracowanie graficzne projektu – Damian Lewiński

Grafiki – Jacek Balerstet, Damian Lewiński

Projekt okładki – Damian Lewiński

Redakcja techniczna – zespół

© Copyright by Oficyna Wydawnicza „Teraz Wiedza” s.c. 2014

ISBN - 978-83-62757-06-0

Oficyna Wydawnicza „Teraz Wiedza” s.c.

D. Lewińska, D. Lewiński, W. Lewiński

ul. Sobieskiego 292C/11

84-200 Wejherowo

e-mail: kontakt@terazwiedza.pl

www.terazwiedza.pl

Biologia LO zakres podstawowy

Teraz Biologia LO to przygotowywana seria 25 e-booków do nauki biologii na poziomie szkoły ponadgimnazjalnej opracowana przez zespół doświadczonych autorów, dydaktyków i nauczycieli zgodnie ze standardami MEN. Dokładamy wszelkich starań, aby informacje zawarte w e-bookach były napisane w sposób zrozumiały dla każdego ucznia. Łatwość i komfort uczenia się wspierają setki zdjęć, grafik i schematów. Ponadto każdy rozdział kończy się podsumowaniem i kompletem poleceń kontrolnych, które można pobrać z naszej strony internetowej.

Rozszerzeniem każdego e-booka będzie odpowiadający mu tematycznie kurs online. Nasze kursy zawierają liczne dodatkowe informacje, grafiki, filmy, doświadczenia i ich analizy oraz interaktywne testy kontrolne. Zapraszamy na naszą stronę internetową www.terazwiedza.pl

Teraz Biologia Zakres Podstawowy to pierwszy e-book z serii, który oddajemy w Państwa ręce. E-book jest przeznaczony dla wszystkich szkół ponadgimnazjalnych. Obejmuje działy: biotechnologia oraz bioróżnorodność.

Spis treści

BIOTECHNOLOGIA

Wstęp

1. Od nukleotydu do kwasu nukleinowego

1.1. Budowa nukleotydów i ich łączenie się

1.2. Budowa DNA

1.3. Replikacja DNA

1.4. Budowa i rodzaje RNA

1.5. Podsumowanie

1.6 Polecenia kontrolne

BIOTECHNOLOGIA

Wstęp

Zanim zaczniemy poznawać tajniki biotechnologii i zwrócimy uwagę na problemy związane z globalnym spadkiem różnorodności biologicznej (bioróżnorodności) zastanówmy się, co może łączyć te dwa zagadnienia.

Poznanie budowy DNA i mechanizmów związanych z jego odczytywaniem pozwoliło na opanowanie technik zmieniania informacji genetycznej. Krótko mówiąc, umożliwiło powstanie i rozwój inżynierii genetycznej. Techniki inżynierii genetycznej są zaś podstawą współczesnej biotechnologii. Być może jej postęp pozwoli zmniejszyć lub zlikwidować problemy takie, jak pandemie chorób zakaźnych, choroby dziedziczne, niedożywienie, a także globalne ocieplenie czy wyczerpywanie się nieodnawialnych zasobów przyrody. W tym miejscu, przy zachowaniu odpowiednich standardów etycznych i naukowych, pojawia się możliwość wykorzystania osiągnięć biotechnologii do ochrony istniejącej bioróżnorodności. Pamiętajmy - czas ucieka...

Panorama z Ostrysza - kulturowy krajobraz zawierający elementy naturalne (przyrody ożywionej i nieożywionej) oraz antropogeniczne znajdujące się w stanie pewnej równowagi

1. Od nukleotydu do kwasu nukleinowego

Pod względem wagowym kwasów nukleinowych w komórkach jest znacznie mniej niż białek, jednak to te pierwsze odpowiadają za ciągłość życia. Przede wszystkim dotyczy to kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). We wszystkich komórkach występuje także kwas rybonukleinowy (RNA). Jego cząsteczki pełnią istotną rolę w biosyntezie białek. Kwasy nukleinowe są polimerami, czyli substancjami chemicznymi o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych podjednostek (monomerów). Jak wiesz, w przypadku kwasów nukleinowych podjednostkami są nukleotydy. Nukleotydy łączą się wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy liczące setki, a nawet miliony nukleotydów. Zatem każdy kwas nukleinowy jest polinukleotydem.

Polimery występujące w organizmach żywych powstają w reakcjach kondensacji

1.1. Budowa nukleotydów i ich łączenie się

Jeden nukleotyd składa się z trzech elementów: cząsteczki pięciowęglowego cukru (pentozy), reszty kwasu fosforowego(V) oraz zasady azotowej.

W nukleotydach DNA występuje cukier – deoksyryboza, w RNA – ryboza. Zasady azotowe są niewielkimi, pierścieniowymi cząsteczkami organicznymi. W skład DNA wchodzą cztery rodzaje zasad azotowych: adenina (A), guanina (G), tymina (T) i cytozyna (C). W RNA też są cztery rodzaje zasad azotowych. Trzy z nich: adenina (A), guanina (G) i cytozyna (C) to te same cząsteczki co w nukleotydach DNA, natomiast zamiast tyminy występuje inna zasada azotowa – uracyl (U).

Zasady azotowe i cukry w kwasach nukleinowych

Nukleotydy łączą się ze sobą wspomnianymi już wiązaniami kowalencyjnymi w taki sposób, że reszta jednego kwasu fosforowego łączy się z cząsteczką cukru drugiego nukleotydu itd. Łączenie nukleotydów (synteza łańcucha polinukleotydowego) wymaga dużych nakładów energii, dlatego substratami są tu trifosforany nukleozydów - połączenia cukru, zasady azotowej i trzech reszt kwasu fosforowego(V).

Ogólna zasada wydłużania łańcucha nukleotydów (kierunek 5’ do 3’). Z prawej strony ryciny widoczny jest dołączany trifosforan nukleozydu

Rozkład wysokoenergetycznych wiązań między dwiema resztami fosforanowymi umożliwia dołączanie nukleotydów (zauważ, że nukleotydy są monofosforanami nukleozydów). W syntezie kwasów nukleinowych uczestniczą różne białka enzymatyczne. Samą reakcję włączania nowych nukleotydów przeprowadzają polimerazy (odpowiednio - polimeraza DNA albo polimeraza RNA). Bez względu na rodzaj kwasu nukleinowego, kierunek wydłużania nici jest zawsze jeden. Reszta fosforanowa nowego nukleotydu tworzy wiązanie z węglem 3’ cząsteczki cukru ostatniego nukleotydu. Mówimy więc, że synteza kwasów nukleinowych postępuje z kierunku 5’ do 3’.

Nukleotydy mogą łączyć się ze sobą w dowolnej kolejności.

5’ N1-N2-N3-N4-N5-N6-N7-N8 3’

1.2. Budowa DNA

Cząsteczki DNA są na ogół wielokrotnie większe niż cząsteczki RNA. DNA różni się od RNA także budową przestrzenną, jest bowiem polinukleotydem dwuniciowym. Obie nici cząsteczki DNA są ułożone względem siebie równolegle i jednocześnie skręcone spiralnie wokół wspólnej osi. Taki kształt nazywamy podwójną helisą. Przedstawiając to obrazowo: cząsteczka DNA przypomina zwiniętą spiralnie drabinę, której szczeble to pary nukleotydów. Poręcze drabiny stanowią cząsteczki deoksyrybozy i reszty kwasu fosforowego(V). Stabilność połączenia obu nici zapewniają wiązania wodorowe pomiędzy leżącymi naprzeciw siebie zasadami azotowymi. Nici podwójnej helisy połączone są zawsze w ten sposób, że adenina jednej nici łączy się z tyminą drugiej nici, a cytozyna z guaniną. Pary AT wytwarzają po dwa wiązania wodorowe, pary GC po trzy. Wzajemne uzupełnianie się (parowanie) nici DNA nazywamy komplementarnością. Wynika z niej m.in. to, że kolejność ułożenia nukleotydów jednej nici wyznacza kolejność ułożenia nukleotydów drugiej. Stąd „dysponując” jedną nicią DNA, można precyzyjnie odtworzyć całą cząsteczkę dwuniciową. Zatem skoro różne cząsteczki DNA mają taką samą budowę przestrzenną to kolejność ułożenia (sekwencja) nukleotydów stanowi informację genetyczną.

Różne modele fragmentu cząsteczki DNA (A i B - przestrzenne, C i D - dwuwymiarowe)

1.3. Replikacja DNA

Replikacja (kopiowanie DNA) jest procesem skomplikowanym, który musi być niezwykle dokładny i przebiegać bardzo szybko. Wymaga to udziału różnych enzymów i oczywiście zapasu wolnych nukleotydów. Cały proces rozpoczynają specjalne białka, które częściowo rozplatają podwójną helisę DNA. Na schematach replikacji miejsce to przedstawiane jest jako widełki replikacyjne. Następnie do obu nici DNA przyłącza się bardzo duże białko enzymatyczne - polimeraza DNA. Jej podjednostki przesuwają się po rozplecionych (starych) niciach i stopniowo dobudowują do nich nowe nici, włączając nukleotydy zgodnie z zasadą komplementarności. Polimeraza DNA dobudowuje jedną z nowych nici w sposób ciągły, drugą natomiast z niewielkich fragmentów. Jednak inne enzymy (m.in. ligazy) scalają te fragmenty i ostatecznie powstają dwie kompletne cząsteczki dwuniciowe. Nowe cząsteczki DNA samorzutnie przyjmują postać podwójnej helisy. Zatem w procesie replikacji z każdej cząsteczki DNA powstają dwie cząsteczki potomne. Obie cząsteczki potomne są zbudowane identycznie z cząsteczką wyjściową (mają taką samą liczbę tak samo ułożonych nukleotydów).

Replikacja DNA (zwróć uwagę na widełki replikacyjne)

Schemat ogólny replikacji

Każda potomna cząsteczka DNA ma jedną nić „starą”, pochodzącą z cząsteczki wyjściowej, i jedną „nową”, dobudowaną z puli wolnych nukleotydów. Taki typ replikacji określamy mianem semikonserwatywnej (nieformalnie - półzachowawczej). Replikacja jest bardzo dokładna. Błędnie wstawione nukleotydy pojawiają się nie częściej niż 1 na milion, przy czym większość tych błędów polimeraza DNA potrafi usunąć sama. Teoretycznie dzięki temu możliwe jest tworzenie nieograniczonej liczby identycznych kopii DNA, przy niemal 100% gwarancji zachowania niezmienionej ilości i jakości materiału genetycznego w komórkach potomnych. To dlatego replikacja poprzedza wszystkie podziały komórkowe.

Schemat dwóch rund replikacji DNA. Różne kolory nici potomnych pokazują, że replikacja ma charakter semikonserwatywny

1.4. Budowa i rodzaje RNA

Cząsteczki RNA mierzą na ogół od kilkudziesięciu do kilkuset nukleotydów, są więc znacznie krótsze niż łańcuchy DNA. Cząsteczki RNA ogólnie rzecz biorąc są jednoniciowe, ale mogą zawierać fragmenty dwuniciowe (naprzeciwległe zasady są względem siebie komplementarne). Dzięki temu RNA może przybierać różne formy przestrzenne wykazujące odmienną aktywność biologiczną. W komórkach występuje kilka rodzajów RNA:

mRNA (ang. messenger RNA) - informacyjny RNA

tRNA (ang. transfer RNA) - transportujący RNA

rRNA (ang. ribosome RNA) - rybosomowy RNA

Stabilizowane przez liczne wiązania wodorowe dwuniciowe helisy DNA są podstawowym, trwałym magazynem informacji genetycznej. Cząsteczki RNA są mniej trwałe i pełnią rolę tymczasowych „kserokopii” genów (mRNA), dostarczają aminokwasy do miejsc syntezy białek (tRNA) lub stanowią część molekularnych fabryk budujących białka (rRNA).

Różne modele cząsteczki tRNA (A - przestrzenny, B - dwuwymiarowy)

1.5. Podsumowanie

Kwasy nukleinowe to wielkocząsteczkowe związki organiczne (biopolimery), złożone z nukleotydów (monomerów).

Nukleotyd = cukier pięciowęglowy + zasada azotowa + reszta fosforanowa

Kwas deoksyrybonukleinowy - DNA (najczęściej występuje w formie podwójnej, prawoskrętnej helisy; nici DNA są komplementarne)

Kwasy rybonukleinowy – RNA (najczęściej występuje w formie pojedynczej nici)

Elementy wspólne: reszty fosforanowe, zasady azotowe: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C)

Elementy różne: w DNA cukier deoksyryboza i zasada azotowa tymina (T), w RNA cukier ryboza i zasada azotowa uracyl (U)

Podział DNA ze względu na występowanie: jądrowy DNA (zasadniczy materiał genetyczny komórek eukariotycznych), mtDNA (mitochondrialny DNA), chlDNA (chloroplastowy DNA u glonów i roślin)

Podział RNA ze względu na funkcje: mRNA (informcyjny RNA; kopia genów, przenosi informację genetyczną o budowie białka na rybosomy), rRNA (składnik rybosomów), tRNA (transportuje aminokwasy do syntezy białek)

Replikacja DNA – powielanie (kopiowanie) cząsteczek DNA – powstałe cząsteczki DNA zawierają jedną nić macierzystą (starą), drugą potomną (nową) (replikacja semikonserwatywna)

1.6 Polecenia kontrolne

Polecenia kontrolne w postaci pliku pdf możesz pobrać z naszej strony tutaj (wymagane połączenie z internetem).