(U) oraz innego cukru, rybozy, w szkielecie cukrowym. W stosunku do deoksyrybozy, ryboza posiada dodatkową grupę hydroksylową (-OH) przy drugim atomie węgla. Róż-nica ta jednak ma ogromne znaczenie nie tylko dla struktury przestrzennej cząsteczki RNA, ale też pełnionych przez nią funkcji. Cząsteczka RNA, w przeciwieństwie do DNA, występuje zazwyczaj w postaci jednoniciowej i może przybierać skompliko-wane struktury przestrzenne, podobnie do białek. Różnice w budowie cząsteczek RNA i DNA pokazano na rysunku 3.1rys. 3.1. W organizmach żywych cząsteczki RNA po-wstają poprzez przepisanie cząsteczki DNA na cząsteczkę RNA w procesie nazwanym transkrypcją. W transkrypcję, podobnie do replikacji, zaangażowana jest złożona ma-szyneria białkowa, a proces ten jest wieloetapowy. Głównym białkiem występującym w procesie transkrypcji jest polimeraza RNA zależna od RNA. RNA może pełnić w komórkach różnorodne funkcje. Najwcześniej odkrytymi są matrycowe RNA (mRNA), rybosomalne RNA (rRNA) oraz transkrypcyjne RNA (tRNA). mRNA pełni funkcję nośnika informacji w procesie powstawania białek. tRNA jest odpowiedzialne za transport aminokwasów do aparatu translacyjnego w procesie powstawania białka.
rRNA jest natomiast istotnym składnikiem rybosomów, to jest maszynerii służącej do biosyntezy białka. RNA jest też składnikiem jądra komórkowego (snRNA i snoRNA). Okazało się także, że RNA może pełnić również funkcje regulatorowego, dotyczy to na przykład miRNA oraz iRNA, które są produkowane w celu precyzyjnej regulacji ekspresji genów kodujących białka. Co więcej, cząsteczki RNA ze względu na swoją strukturę, w przeciwieństwie do cząsteczek DNA, przenoszą nie tylko infor-mację, ale mogą posiadać także funkcje enzymatyczne, podobnie do białek. RNA o funkcjach enzymatycznych nazywane jest rybozymem.
Białka są dużymi makrocząsteczkami, a właściwie biologicznymi polikondensa-tami, złożonymi z jednego lub wielu długich łańcuchów aminokwasowych. Każdy łań-cuch zbudowany jest z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydo-wymi (-CONH-). Chociaż znanych jest około 500 różnych aminokwasów, zwykle tylko 20 z nich wchodzi w skład białek. Aminokwasy te zwane są aminokwasami endogen-nymi. Budowa chemiczna aminokwasów sprawia, że mogą one zwijać się w złożone przestrzennie kształty oraz oddziaływać z wieloma rodzajami cząsteczek. Z tego wzglę-du białka pełnią rozmaite funkcje w komórkach, między innymi buwzglę-dulcową, regulato-rową, transportową, magazynującą i immunologiczną. Wiele z cząsteczek białek pełni funkcje enzymów katalizujących szerokie spektrum specyficznych transformacji bio-chemicznych w komórkach. Co więcej, białka mają możliwość wiązania wielu
rodza-jów mniejszych cząsteczek, zwanych kofaktorami i koenzymami, które rozszerzają pa-letę funkcji, jakie mogą pełnić białka. Białka powstają w procesie translacji informacji zawartej w cząsteczce mRNA w rybosomach przy udziale tRNA.
Rys. 3.1 Porównanie RNA z DNA. Źródło: Wikimedia Commons, autorzy: Antilived, Fabio-lib, Turnstep, Westcairo, tłumaczenie polskie: Premoń (CC BY-SA 3.0).
Dla wymienionych wyżej cząsteczek biologicznych (DNA, RNA i białka) wy-różnia się cztery poziomy organizacji przestrzennej zwane strukturami pierwszorzędo-wą, drugorzędopierwszorzędo-wą, trzeciorzędową i czwartorzędową.
Struktura pierwszorzędowa jest to liniowe ułożenie pojedynczych, ułożonych w odpowiedniej kolejności podstawowych jednostek (cząsteczek) tworzących łańcuch.
Jest ona stabilizowana przez wiązania pomiędzy tymi podstawowymi jednostkami. Dla DNA i RNA strukturę pierwszorzędową tworzą następujące po sobie nukleotydy
połą-czone wiązaniami fosfodiestrowymi. Dla białek strukturę pierwszorzędową tworzą na-stępujące po sobie aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi.
Struktura drugorzędowa jest to konformacyjne ułożenie pojedynczych elemen-tów tworzących łańcuch główny makrocząsteczki (IUPAC: secondary structure 1997).
Struktura ta jest zatem tworzona przez oddziaływania pomiędzy pojedynczymi czą-steczkami tworzącymi łańcuchy. W przypadku DNA strukturę drugorzędową tworzą oddziaływania wodorowe typu Watson-Crick pomiędzy a i T oraz G i C tworzące spa-rowanie całej struktury i tworzące strukturę helikalną. Dla RNA wyróżniono 12 rodzin oddziaływań wodorowych pomiędzy pojedynczymi nukleotydami biorącymi pod uwagę ułożenie ich wiązań glikozydowych (Leontis i Westhof 2001; Leontis et al. 2002). Ist-nienie tak wielu rodzin oddziaływań wodorowych powoduje powstawanie bardzo skomplikowanej struktury drugorzędowej w cząsteczkach RNA. Dzięki temu w cząsteczce RNA występują nie tylko fragmenty dwuniciowe, tak jak w niemal całej cząsteczce DNA, ale i fragmenty niesparowane, które nie są włączone do podwójnej helisy. Są to pojedyncze niesparowania (ang. single mismatches), wybrzuszenia jedno-stronne (ang. bulges), wybrzuszenia dwujedno-stronne (ang. Internal loops), terminalne nie-sparowania (ang. terminal mismatches), pętle terminalne (ang. stem loop) zwane także strukturami szpilkowymi (ang. hairpin loops), pseudowęzły (ang. pseudoknots), wy-brzuszenia wieloramienne (ang. multibranch loops) zwane również skrzyżowaniami (ang. junction) (rysunek 3.2). Wymienione elementy strukturalne mają ogromny wpływ na trwałość i stabilność struktury RNA (Hendrix et al. 2005; Butcher i Pyle 2011).
W białkach strukturę drugorzędową tworzą oddziaływania wodorowe pomiędzy amino-kwasami, przede wszystkim między atomami tlenu grup amidowych i atomami wodoru innych grup amidowych. Dla białek wyróżniono trzy podstawowe typy struktury drugo-rzędowej: alfa-helisę, beta-harmonijkę i beta-zakręt.
Struktura trzeciorzędowa jest strukturą przestrzenną całej cząsteczki składają-cej się z pojedynczego łańcucha (IUPAC: tertiary structure 1997). Utworzona jest przez oddziałujące na siebie elementy struktury drugorzędowej. Formuje ona kształt cząstecz-ki i w znaczący sposób wpływa na funkcje pełnione przez cząsteczkę. Dla DNA jest to odkryta przez Rosalin Frankin, Jamesa Watsona i Francisa Cricka trójwymiarowa struktura helisy (Crick i Watson 1953). Dla RNA jest to cały szereg struktur trzeciorzę-dowych utworzonych przez trzeciorzędowe motywy strukturalne takie jak helisy (tak jak w DNA), zamki rybozowe (ang. ribose zipper), motyw A-mniejszy (ang. A-minor motif), pętle poczwórne (ang. tetraloop), czy też współosiowe oddziaływania
warstwo-we (ang. coaxial stacking) (Leontis i Westhof 2003; Hendrix et al. 2005; Butcher i Pyle 2011). W białkach struktura trzeciorzędowa jest stabilizowana między innymi przez wiązania wodorowe oraz przez tak zwane mostki dwusiarczkowe, które powstają po-między łańcuchami bocznymi aminokwasu siarkowego – cysteiny.
Rys. 3.2 Elementy struktury drugorzędowej dla RNA. Źródło: M Chastain i I Jr Tinoco (1991) Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. 41, 131-177 (Chastain i Tinoco 1991), tłumaczenie
własne.
Struktura czwartorzędowa określa wzajemny układ w przestrzeni oraz sposób połączenia się dwóch lub więcej makrocząsteczek wykazujących strukturę trzeciorzę-dową, które są przytrzymywane przez wiązania wodorowe, wiązania van der Waalsa oraz siły kulombowskie (IUPAC: quaternary structure 1997). Tylko część makocząste-czek tworzy struktury czwartorzędowe. Dla DNA o strukturze czwartorzędowej można mówić w przypadku organizacji wyższego rzędu DNA w chromatynie, gdzie DNA jest nawinięte na białka histonowe. Przykładem cząsteczki RNA tworzącej strukturę czwar-torzędową jest utworzony przez symetryczne cząsteczki RNA rybozym VS (ang. Var-kud satellite rybozyme). Wśród białek przykładami cząsteczek tworzącymi struktury
czwartorzędowe są hemoglobina i polimeraza DNA. Jednak najbardziej znanym i obecnie aktywnie badanym przykładem struktury czwartorzędowej jest struktura rybo-somu utworzona przez cząsteczki RNA i białka (rysunek 3.3).
Na rysunku 3.4 pokazano różne poziomy organizacji strukturalnej dla cząsteczki RNA na przykładzie rybozymu VS.
Rys. 3.3 Struktura czwartorzędowa dwóch jednostek rybosomowych. RNA jest zaznaczone na pomarańczowo i żółto, białka na filetowo, na zielono zaznaczono katalityczny nukleotyd
adeninowy.Źródło: www.flickr.com, “Ribosome”, autor Redondoself (CC BY 2.0).
Rys. 3.4 Poziomy organizacji strukturalnej dla cząsteczki RNA na przykładzie rybozymu VS z Neurospora (PDB 4R4V). Źródło: Wikimedia Commons, autor: Thomas Shafee (CC
Attribution 4.0 International), tłumaczenie własne.
Ewolucja jest to ciągły proces, polegający na stopniowych zmianach cech gatun-kowych kolejnych pokoleń wskutek eliminacji przez dobór naturalny części osobników (genotypów) z bieżącej populacji. Procesy ewolucyjne są podstawą istnienia różnorod-ności na każdym poziomie biologicznej organizacji, począwszy od cząsteczek, przez indywidualne organizmy, po gatunki. Współczesne rozumienie ewolucji zapoczątkowa-ła wydana w 1859 roku książka Karola Darwina „O powstawaniu gatunków” (Darwin 1859), będąca podstawą teorii ewolucji.
Ewolucja darwinowska jest oparta na trzech fundamentalnych zasadach: re-produkcji, mutacji i selekcji, które opisują jak populacja zmienia się w czasie i jak nowe formy ewoluują z tych już obecnych. Darwinowska teoria ewolucji poprzez do-bór naturalny wyjaśnia zarówno mechanizm jak i cel adaptacji. Dodo-bór naturalny jest to mechanizm ewolucji biologicznej, prowadzący do ukierunkowanych zmian w populacji zwiększających ich przeciętne przystosowanie, czyli adaptację do warunków środowiskowych.
Miarą sukcesu w doborze naturalnym jest dostosowanie (ang. fitness). Można je rozpatrywać na poziomie osobników lub poszczególnych genów. Organizmy posiadają-ce korzystne posiadają-cechy mają większą szansę na przeżycie i rozmnażanie, co prowadzi do zwiększania częstości występowania korzystnych genów w populacji. Dobór natu-ralny jest jedyną przyczyną adaptacji, ale nie jedyną znaną przyczyną ewolucji. Inne możliwe mechanizmy ewolucji to mutacje, dryf genetyczny oraz przepływ genów, będące podstawą neutralnej teorii ewolucji (Kimura 1989). Mutacje są to losowe zmiany w genotypie, które najczęściej pozostają bez wpływu na fenotyp, mogą też jed-nak zmniejszyć lub zwiększyć dostosowanie. Przepływ genów polega na zmianie czę-stości alleli, będących różnymi wersjami danego genu, w populacji wskutek przepływu genów na skutek migracji osobników z i do populacji wyjściowej. Natomiast istotą dry-fu genetycznego są zmiany częstości danego allelu na skutek innych procesów niż mu-tacje, migracje czy też dobór naturalny, na przykład efekt założyciela.
W 1964 roku Hamilton wykazał, że poza klasyczną teorią doboru naturalnego, w której allele zwiększają swoją częstość występowania jeśli mają wpływ na przetrwanie i rozmnażanie jednostki, gen może zwiększyć swój sukces ewolucyjny pośrednio wspierając reprodukcję oraz przetrwanie jednostek posiadających taki sam