"Podstawy biologii komórki t. 1"

Spis treści

Rozdział 1 Komórki: podstawowe jednostki życia 22

Jedność i różnorodność komórek 23

Komórki różnią się niezmiernie wyglądem i funkcją 23

Wszystkie żywe komórki funkcjonują, opierając się na podobnych podstawowych procesach chemicznych 24

Żywe komórki są samopowielającymi się zbiorami katalizatorów 25

Wszystkie żyjące komórki prawdopodobnie wyewoluowały z tej samej prakomórki 26

Komórki pod mikroskopem 27

Geny dostarczają instrukcji o formie, funkcji oraz zachowaniu komórek i organizmów 27

Wynalezienie mikroskopu świetlnego doprowadziło do odkrycia komórek 28

Mikroskopy świetlne ujawniają niektóre składniki komórki 29

Szczegóły struktury komórki można ujawnić w mikroskopie elektronowym 31

Komórka prokariotyczna 32

Prokarionty to najliczniejsze i najbardziej zróżnicowane komórki na Ziemi 36

Komórka eukariotyczna 37

Świat prokariontów jest podzielony na dwie domeny: Bacteria i Archaea 37

Jądro komórkowe jest magazynem informacji 38

Chloroplasty przechwytują energię światła słonecznego 39

Mitochondria wytwarzają użyteczną energię z cząsteczek pożywienia 39

Błony wewnętrzne tworzą przedziały wewnątrzkomórkowe o odmiennych funkcjach 41

Cytoszkielet jest odpowiedzialny za ukierunkowane ruchy komórek 43

Cytozol jest stężonym uwodnionym żelem dużych i małych cząsteczek 43

Cytozol nie jest układem statycznym 45

Początkowo komórki eukariotyczne mogły być komórkami drapieżnymi 45

Organizmy modelowe 49

Biolodzy molekularni skupili swe wysiłki na E. coli 49

Arabidopsis wybrano jako roślinę modelową 50

Drożdże piekarnicze są prostymi eukariontami 50

Wśród zwierząt modelowych są muszki, nicienie, ryba i mysz 51

Biolodzy zajmują się również badaniami ludzi i ich komórek 54

Porównywanie sekwencji genomów ujawnia wspólne dziedzictwo życia 56

Genomy zawierają dużo więcej niż geny 57

Rozdział 2 Chemiczne składniki komórek 62

Wiązania chemiczne 63

W skład komórek wchodzi niewiele rodzajów atomów 63

O reakcjach między atomami decydują elektrony ich zewnętrznej powłoki 64

Wiązania kowalencyjne powstają przez wspólne użytkowanie elektronów 67

Elektrony w wiązaniach kowalencyjnych są często użytkowane nierównomiernie 68

Niektóre wiązania kowalencyjne powstają w wyniku wspólnego użytkowania więcej niż jednej pary elektronów 68

Wiązania jonowe powstają przez przyjęcie i oddanie elektronów 69

Wiązania kowalencyjne są wystarczająco silne, aby przetrwać warunki wewnątrz komórki 69

Wiązania wodorowe są ważnymi wiązaniami niekowalencyjnymi w wielu cząsteczkach biologicznych 70

Cztery rodzaje słabych wiązań umożliwiają oddziaływanie cząsteczek w komórce 71

Niektóre polarne cząsteczki w wodzie tworzą kwasy i zasady 72

Cząsteczki w komórkach 74

Komórki zbudowane są ze związków węgla 74

Cukry są dla komórek źródłem energii i stanowią podjednostki polisacharydów 75

Komórki zawierają cztery główne rodziny małocząsteczkowych związków organicznych 75

Kwasy tłuszczowe są składnikami błon komórkowych 78

Aminokwasy są jednostkami monomerycznymi białek 79

Nukleotydy są jednostkami monomerycznymi DNA i RNA 80

Makrocząsteczki w komórkach 82

Makrocząsteczki mają określoną sekwencję jednostek monomerycznych 83

Wiązania niekowalencyjne nadają dokładnie określony kształt makrocząsteczkom 86

Wiązania niekowalencyjne umożliwiają makrocząsteczkom wybiórcze wiązanie innych cząsteczek 86

Rozdział 3 Energia, kataliza i biosynteza 106

Wykorzystywanie energii przez komórki 107

Porządek biologiczny jest możliwy dzięki uwalnianiu energii cieplnej z komórek 108

Komórki mogą przekształcać energię z jednej formy w drugą 110

Organizmy fotosyntetyzujące wykorzystują światło słoneczne do syntezy cząsteczek organicznych 111

Komórki uzyskują energię w wyniku utleniania cząsteczek organicznych 112

Utlenianie i redukcja wiążą się z przenoszeniem elektronów 113

Energia swobodna i kataliza 114

Reakcje chemiczne przebiegają w kierunku, który prowadzi do utraty energii swobodnej 114

Enzymy obniżają energię potrzebną do zapoczątkowania reakcji spontanicznych 115

Zmiana energii swobodnej decyduje o możliwości zajścia reakcji 116

ΔG zmienia się, gdy reakcja zmierza w kierunku równowagi 117

Stała równowagi jest wprost proporcjonalna do ΔG° 121

Zmiana standardowej energii swobodnej, ΔG°, umożliwia porównanie energetyki różnych reakcji 121

W złożonych reakcjach stała równowagi obejmuje stężenia wszystkich substratów i produktów 122

Dla sekwencji reakcji wartości zmian energii swobodnej dodają się 123

Stała równowagi także wskazuje na siłę niekowalencyjnych oddziaływań wiążących 123

Reakcje katalizowane przez enzymy zależą od szybkich zderzeń cząsteczek 124

Odziaływania niekowalencyjne umożliwiają enzymom wiązanie specyficznych cząsteczek 125

Aktywowane nośniki a biosynteza 126

Powstawanie aktywowanych nośników jest sprzężone z reakcją energetycznie korzystną 129

ATP jest aktywowanym nośnikiem najczęściej wykorzystywanym w komórce 130

Energia magazynowana w ATP jest często wykorzystywana do łączenia dwóch cząsteczek 131

NADH i NADPH są aktywowanymi nośnikami elektronów 131

NADPH i NADH odgrywają różne role w komórkach 133

Komórki wykorzystują wiele innych aktywowanych nośników 134

Synteza biopolimerów wymaga dostarczenia energii 135

Rozdział 4 Struktura i funkcja białek 142

Struktura przestrzenna i budowa białek 144

Strukturę przestrzenną białek określa ich sekwencja aminokwasowa 144

Białka zwijają się do konformacji o najniższej energii 147

Białka wykazują wielką różnorodność skomplikowanych struktur przestrzennych 149

Helisa α i harmonijka β to powszechnie występujące sposoby zwijania się białka 151

Helisy to uprzywilejowany motyw konstrukcyjny struktur biologicznych 151

Harmonijki β to motyw konstrukcyjny sztywnego rdzenia wielu białek 153

Białka nieprawidłowo zwijające się mogą tworzyć struktury amyloidowe o działaniu chorobotwórczym 154

Białka mają kilka poziomów organizacji 155

Białka zawierają także odcinki o stosunkowo niewielkiej strukturalizacji 155

Tylko nieliczne z wielu możliwych łańcuchów polipeptydowych to funkcjonalne białka 156

Białka można grupować w rodziny 157

Cząsteczki większych białek zawierają często więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy 157

Białka mogą układać się w filamenty, arkusze lub kule 159

Niektóre rodzaje białek mają kształt wydłużonych włókien 159

Białka zewnątrzkomórkowe są często stabilizowane przez poprzeczne wiązania kowalencyjne 161

Jak działają białka 162

Wszystkie białka wiążą się z innymi cząsteczkami 162

Ludzkie komórki produkują miliardy różnych przeciwciał, każde z innym miejscem wiążącym antygen 163

Enzymy są silnymi i bardzo swoistymi katalizatorami 164

Enzymy zasadniczo zwiększają szybkość reakcji chemicznych 167

Lizozym ilustruje pracę enzymu 168

Wiele leków hamuje enzymy 172

Ścisłe związanie małych cząsteczek daje białkom dodatkowe funkcje 173

Jak kontrolowane są białka 174

Aktywność katalityczna enzymów jest często regulowana przez inne cząsteczki 174

Enzymy allosteryczne mają dwa lub więcej miejsc wiążących, które oddziałują ze sobą 176

Fosforylacja może kontrolować aktywność białka, wywołując zmianę konformacyjną 177

Modyfikacje kowalencyjne białek także kontrolują lokalizację białek i oddziaływania między nimi 178

Białka regulatorowe wiążące GTP są regulowane w wyniku cyklicznego uzyskiwania i utraty grupy fosforanowej 179

Hydroliza ATP pozwala białkom motorycznym wytwarzać w komórce ukierunkowany ruch 180

Białka często tworzą duże kompleksy, które działają jak maszyny białkowe 181

Kompleksy białkowe tworzą się dzięki rusztowaniom 181

Słabe oddziaływania pomiędzy makrocząsteczkami mogą wytwarzać duże, biochemicznie zróżnicowane przedziały subkomórkowe 182

Jak badane są białka 183

Białka można oczyszczać z komórek lub tkanek 184

Określenie struktury białka rozpoczyna się od poznania jego sekwencji aminokwasowej 185

Techniki inżynierii genetycznej umożliwiają masową produkcję, projektowanie i analizę niemal każdego białka 186

Pokrewieństwo między białkami pozwala na przewidywanie ich struktury i funkcji 187

Rozdział 5 DNA i chromosomy 198

Struktura DNA 199

Cząsteczka DNA składa się z dwóch komplementarnych łańcuchów polinukleotydowych 200

Struktura DNA umożliwia funkcjonowanie mechanizmu dziedziczenia 201

Struktura chromosomów eukariotycznych 203

Eukariotyczny DNA jest upakowany w wiele chromosomów 204

Chromosomy organizują i przenoszą informację genetyczną 205

Do replikacji i segregacji chromosomów wymagane są wyspecjalizowane sekwencje DNA 206

Chromosomy interfazowe występują w jądrze w sposób zorganizowany 207

DNA w chromosomach zawsze jest mocno skondensowany 208

Podstawowymi jednostkami struktury chromosomu eukariotycznego są nukleosomy 209

Chromosomy mają kilka poziomów upakowania DNA 211

Regulacja struktury chromosomów 213

Zmiany w strukturze nukleosomu umożliwiają dostęp do DNA 213

Chromosomy interfazowe zawierają zarówno skondensowane, jak i rozluźnione formy chromatyny 214

Rozdział 6 Replikacja i naprawa DNA 224

Replikacja DNA 225

Parowanie zasad umożliwia replikację DNA 225

Synteza DNA zaczyna się w miejscu początku replikacji 226

W miejscu początku replikacji tworzy się dwoje widełek replikacyjnych 226

Polimeraza DNA wykorzystuje wyjściowe nici DNA jako matryce w syntezie DNA 230

Widełki replikacyjne są asymetryczne 231

Polimeraza DNA koryguje swoje błędy 232

Krótkie fragmenty RNA służą jako startery do syntezy DNA 233

Białka w widełkach replikacyjnych współpracują, tworząc aparat replikacyjny 235

Telomeraza umożliwia replikacje końców chromosomów eukariotycznych 238

Długość telomerów jest różna dla różnych typów komórek i zależy od ich wieku 239

Naprawa DNA 240

W komórkach ciągle dochodzi do uszkodzeń DNA 240

Komórki dysponują licznymi mechanizmami naprawy DNA 242

System naprawy źle dopasowanych par zasad usuwa błędy replikacji DNA, które uniknęły korekty 243

Naprawa dwuniciowych pęknięć DNA wymaga odrębnej strategii 245

Rekombinacja homologiczna potrafi bezbłędnie naprawiać dwuniciowe pęknięcia DNA 246

Problemy z naprawą uszkodzeń DNA mogą mieć poważne konsekwencje dla komórki lub organizmu 247

Zapis dokładności replikacji i naprawy DNA jest zachowany w sekwencjach genomowych 248

Rozdział 7 Od DNA do białek: Jak komórki odczytują swój genom? 254

Od DNA do RNA 255

Odcinki sekwencji DNA są przepisywane na RNA 256

Podczas transkrypcji powstaje RNA komplementarny wobec jednej z nici DNA 257

W komórkach powstają różne rodzaje RNA 259

Sygnały w DNA pokazują polimerazie RNA miejsca początku i końca transkrypcji 260

Inicjacja transkrypcji genów eukariotycznych jest złożonym procesem 262

Ogólne czynniki transkrypcyjne są niezbędnie potrzebne eukariotycznej polimerazie RNA 263

Cząsteczki eukariotycznego mRNA dojrzewają w jądrze komórkowym 264

Introny są usuwane z cząsteczek pre-mRNA w procesie splicingu 266

U eukariontów geny kodujące białka są przerywane sekwencjami niekodującymi nazywanymi intronami 266

Dojrzałe cząsteczki eukariotycznego mRNA są eksportowane z jądra komórkowego 269

Synteza i dojrzewanie RNA zachodzą w „fabrykach” w jądrze komórkowym 269

Cząsteczki mRNA ostatecznie ulegają degradacji w cytoplazmie 270

Od RNA do białka 271

Informacja w sekwencji mRNA jest zakodowana w postaci zestawów trójek nukleotydów 271

Cząsteczki tRNA dopasowują aminokwasy do kodonów mRNA 275

Swoiste enzymy łączą cząsteczki tRNA z właściwymi aminokwasami 276

Informacja zawarta w mRNA jest odczytywana w rybosomach 277

Rybosom jest rybozymem 280

Specjalne kodony mRNA informują rybosom o tym, gdzie zacząć i gdzie skończyć syntezę białka 281

Białka powstają na polirybosomach 282

Inhibitory syntezy białka u prokariontów są stosowane jako antybiotyki 283

Kontrolowany rozkład białek pomaga w regulacji ilości każdego białka w komórce 284

Droga od DNA do białka obejmuje wiele etapów 285

RNA i początki życia 287

Życie wymaga autokatalizy 287

RNA może przechowywać informację oraz katalizować reakcje chemiczne 288

RNA jest uważany za starszy ewolucyjnie niż DNA 289

Rozdział 8 Kontrola ekspresji genów 294

Przegląd ekspresji genów 295

Różne typy komórek organizmu wielokomórkowego zawierają ten sam DNA 295

Różne typy komórek produkują odmienne zestawy białek 296

Ekspresja genów może być regulowana na różnych etapach ścieżki prowadzącej od DNA przez RNA do białka 297

Komórka może zmieniać ekspresję swoich genów w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne 297

Jak regulowana jest transkrypcja 298

Regulatory transkrypcji wiążą się z regulatorowymi sekwencjami DNA 298

Przełączniki transkrypcji pozwalają komórkom reagować na zmiany środowiskowe 300

Represory wyłączają geny a aktywatory je włączają 301

Operon Lac jest kontrolowany przez aktywator i represor 302

Eukariotyczne regulatory transkrypcji kontrolują ekspresję genów na odległość 303

Eukariotyczne regulatory transkrypcji wspomagają inicjację transkrypcji, rekrutując białka modyfikujące chromatynę 304

Powstawanie wyspecjalizowanych typów komórek 305

Organizacja chromosomów w wypętlone domeny pozwala kontrolować sekwencje wzmacniające 305

Geny eukariotyczne są kontrolowane przez kombinację regulatorów transkrypcji 306

Jedno białko może koordynować ekspresję różnych genów 309

Kontrola kombinatoryczna może prowadzić do powstawania różnych typów komórek 310

Pojedynczy regulator transkrypcji może doprowadzić do powstania całego organu 311

Regulatory transkrypcji mogą być wykorzystywane do ukierunkowanego doświadczalnie wytwarzania specyficznych typów komórek w hodowli 312

Komórki zróżnicowane zachowują swoją tożsamość 313

Kontrola potranskrypcyjna 315

Cząsteczki mRNA zawierają sekwencje, które kontrolują ich translację 315

Cząsteczki mikroRNA kierują docelowy mRNA do degradacji 316

Regulatorowe RNA kontrolują ekspresję tysięcy genów 316

Cząsteczki małego interferującego RNA chronią komórki przed infekcjami 317

Tysiące różnych cząsteczek długiego niekodującego RNA także mogą regulować aktywność genów ssaków 319

Rozdział 9 Ewolucja genów i genomów 324

Źródła zmienności genetycznej 325

W organizmach rozmnażających się płciowo tylko zmiany w komórkach linii rozrodczej są przekazywane potomstwu 326

Mutacje punktowe są spowodowane niedoskonałością prawidłowych mechanizmów kopiowania i naprawy DNA 327

Mutacje mogą również zmienić regulację ekspresji genu 329

Rodziny pokrewnych genów powstają w wyniku duplikacji DNA 329

Duplikacje i dywergencja wytworzyły rodzinę genów globin 331

Duplikacje całych genomów ukształtowały historię ewolucyjną wielu gatunków 333

Nowe geny mogą być utworzone przez tasowanie egzonów 333

Mobilne elementy genetyczne miały wielki wpływ na ewolucję genomów 334

Geny mogą być wymieniane między organizmami w wyniku horyzontalnego transferu genów 335

Rekonstrukcja rodowego drzewa życia 336

Zmiany genetyczne, które zapewniają przewagę selekcyjną, prawdopodobnie zostaną zachowane 336

Funkcjonalnie ważne rejony genomu to wyspy konserwowanych sekwencji DNA 337

Genomy blisko spokrewnionych gatunków są podobne zarówno pod względem organizacji, jak i sekwencji 337

Analizy porównawcze genomów wskazują, że genomy kręgowców szybko zyskują i tracą DNA 340

Konserwowanie sekwencji pozwala śledzić nawet najbardziej odległe pokrewieństwo ewolucyjne 341

Ruchome elementy genetyczne i wirusy 342

Ruchome elementy genetyczne kodują składniki, których potrzebują do przemieszczania się 342

Genom człowieka zawiera dwie główne rodziny elementów transpozycyjnych 343

Wirusy mogą przemieszczać się pomiędzy komórkami i organizmami 344

Retrowirusy odwracają normalny przepływ informacji genetycznej 346

Badanie genomu człowieka 348

Sekwencje nukleotydowe ludzkich genomów pokazują, jak rozmieszczone są nasze geny 348

Genom wymarłych neandertalczyków częściowo ujawnia, co czyni nas ludźmi 353

Różnice w regulacji genów mogą pomóc w wyjaśnieniu, dlaczego zwierzęta o podobnych genomach bywają tak różne 353

Zmienność genomów nadaje nam cechy jednostkowe, ale jak? 354

Rozdział 10 Analizowanie struktury i funkcji genów 360

Izolowanie i klonowanie cząsteczek DNA 361

Elektroforeza żelowa umożliwia rozdział fragmentów DNA różniących się długością 362

Enzymy restrykcyjne rozcinają cząsteczki DNA w swoistych miejscach 362

Klonowanie DNA rozpoczyna się od uzyskania rekombinowanego DNA 364

Rekombinowany DNA może być kopiowany w komórkach bakteryjnych 364

Cały genom może być zawarty w bibliotece DNA 366

Hybrydyzacja jest czułą metodą wykrywania swoistych sekwencji nukleotydowych 367

Klonowanie DNA metodą PCR 368

PCR wykorzystuje polimerazę DNA i swoiste startery do amplifikacji sekwencji DNA w probówce 369

PCR może być wykorzystywany w diagnostyce i medycynie sądowej 370

Sekwencjonowanie DNA 373

Sekwencjonowanie metodą dideoksy polega na analizie łańcuchów DNA, których synteza zatrzymywana jest w każdej pozycji 373

Techniki sekwencjonowania nowej generacji umożliwiają szybsze i tańsze sekwencjonowanie genomów 374

Odkrywanie funkcji genów 379

Analizy porównawcze genomów umożliwiają identyfikację genów i określenie ich funkcji 379

Analiza mRNA pozwala uchwycić ekspresję genów 380

Geny reporterowe umożliwiają śledzenie swoistych białek w żywych komórkach 380

Hybrydyzacja in situ może ujawnić, kiedy i gdzie zachodzi ekspresja określonego genu 380

Badanie mutantów może pomóc w odkrywaniu funkcji genu 382

Interferencja RNA (RNAi) hamuje aktywność określonych genów 382

Znany gen można usunąć lub zastąpić go zmienioną wersją 383

Geny można edytować z wielką precyzją przy użyciu bakteryjnego systemu CRISPR 385

Mutanty mogą być użytecznymi modelami chorób człowieka 387

Rośliny transgeniczne znajdują zastosowanie zarówno w biologii komórki, jak i w rolnictwie 388

Klonowanie DNA umożliwia wytwarzanie dużych ilości białek, które w komórkach występują w znikomych ilościach 389

Odpowiedzi O-1 394

Słowniczek S-1 424

Indeks I-1 444