biohemija 7 genetska-informacija

Biohemija nukleinskih kiselina

Genetska informacija

DNK je nosilac naslednih informacija u ćeliji, dok RNK učestvuju u prenošenju tih informacija i njihovom prevođenju u proteine.

RNK je nolisac naslednih informacija kod nekih virusa.

deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske kiseline (RNK)

Nukleozid = pentoza + azotna baza

Nukleotid = pentoza + azotna baza + ostatak fosforne kis.

Nukleotid- monomerna jedinica nukleinskih kiselina

estarska veza

N-glikozidna veza

Nukleinske kiseline su polimeri nukleotida

•nukleotidu su izgradjeni od –baze (purinske ili pirimidinske)–secera (riboza ili deoksiriboza)–fosfata

•nukleozid cini baza i secer–veza N-glikozidna (azot baze se vezuje za anomerni C atom secera)

•C atomi secera su obelezeni sa ‘

BAZA NUKLEOZID NUKLEOTID NUKL. KIS.PURINSKEadenin adenozin adenilat RNK

deoksiadenozin deoksiadenilat DNKguanin guanozin guanilat RNK

deoksiguanozin deoksiguanilat DNKPIRIMIDINSKEcitotozin citidin citidilat RNK

deoksicitidin deoksicitidilat DNKtimin deoksitimidin deoksitimidilat DNKuracil uridin uridilat RNK

nukleotid = nukleozidfosfat

Nomenklatura nukleotida i nukleinskih kiselina

• fosfodiestarska veza povezuje nukleotide u nukleinske kiseline

• na svakom polinukleotidnom nizu razlikujemo 5‘ i 3‘ kraj

Nukleinske kiseline su polimeri nukleotida

Primarna struktura nukleinskih kiselina – redosled nukleotida

• Genetska informacija je uskladištena u primarnoj strukturi nukleinske kiseline

• Gen = odredjena sekvenca DNK

-2 antiparalelna lanca formiraju dvostruki heliks formiranjem vodoničnih veza između komplementarnih baza

- jedna zavojnica je 3.4 nm (34A) i cini je oko 10.4 baznih parova (bp)

-precnik duplog heliksa je 2nm (20A)

-- rastojanje izmedju susednih baznih parova je 0.34 nm (3.4A)

Sekundarna struktura DNK – dupli heliks

G-C: 3 vodonične vezeA-T: 2 vodonične veze

B-DNK (Watson-Crick struktura)-desna zavojnica, precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 nmA-DNK – desna zavojnica, precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 nmZ-DNK – leva zavojnica, precnik heliksa 1.8 nm, 12 bp po zavojnici, jedna zavojnica 4.5 nm

DNK je fleksibilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u zavisnosti od sekvence baza i/ili uslova izolovanja

Struktura RNK

•Opšte karatkteristike:

–Riboza, uracil

–Obično jednolančana, ipak često prisutna sekundarna i tercijerna struktura

–Nosilac naslednih informacija nekih virusa

•Vrste:

–iRNK, tRNK, rRNK – učestvuju u sintezi proteina

–druge RNK – učestvuju u sintezi i obradi RNK

•Neke RNK imaju enzimsko dejstvo

Pakovanje DNK u ćeliji

•Eukarioti – DNK spakovana u hromozome, interakcija sa histonskim i nehistonskim proteinima

•Prokarioti – superspiralizovana cirkularna DNK, interakcija sa RNK i proteinima

Nukleozomi – prvi nivo pakovanja

Solenoidna struktura hromozoma

Solenoidna struktura – sledeći nivo pakovanja

• učestvuje histon H1

solenoidna strukturanukleozomi

Dvolančana zavojnica DNK

Nukleozomi

Nukleozomski paketi

Petlje

Trake na hromozomima

Metafazni hromozom

–DNK se prepisuje u RNK,a RNK se prevodi u protein

Centralna dogma molekularne biologije

Replikacija (replika=kopija)

• Proces dupliranje molekula DNK pri kome od jednog nastaju dva potpuno identična molekula DNK.

Semikonzervativan proces

Semidiskontinuiran proces

roditeljski molekul

DNK

razdvajanje lanaca pri čemu

će svaki poslužiti kao

matrica za sintezu novog

lanca

komplementarno sparivanje baza

dva novonastala

molekula DNK

SEMIKONZERVATIVNI MODEL REPLIKACIJE

• DNA-polimeraza uvek sintetišu novi lanac u smeru 5’-3’ (matrica se čita u 3’-5’ smeru) • DNK-polimeraza ne može započeti (inicirati) sintezu novog lanca DNK – započinje je primaza (RNK polimeraza)

• DNK-polimeraza se vezuje za dezoksinukleozidtrifosfate

• DNK-polimeraza kopira DNK sa

vrlo visokom tačnošću -greška prilikom replikacije 10-9

DNK-polimerazama – glavni enzim replikacije

–formira se estarska veza izmedju 5’ fosfata novog nukleotida i 3’ hidroksilne grupe na kraju lanca koji se sintetiše

–sinteza novog lanca u 5’→3’ smeru, na osnovu komplementarnosti

–DNK polimeraza se vezuje za deoksiribonukleozid trifosfate (dATP, dGTP, dCTP, dTTP)

–pirofosfat se oslobađa (dalje u 2Pi), obezbeđuje energiju za vezivanje dezoksiribonukleozid monofosfata (dAMP, dGMP, dCMP, dTMP)

–enzim ostaje stalno vezan za replikacionu viljusku

Opšti pregled replikacije - Bakterijska DNK

Replikacija cirkularne DNK: - započinje u replikativnom početku (origin replikacije) gde se vezuju proteini inicijatori replikacije

- odvija se u oba pravca istovremeno

- mesto replikacije (aktivne DNK sinteze) se označava kao replikativna viljuška (uvek ih ima dve)

- replikacija se završava u terminacionom regionu

Replikacija kod bakterija

dve replikativne viljuške

Replikativna viljuška je asimetrična, oba lanca se sintetišu u 5’-3’ smeru, ali jedan lanac se sintetiše kontinuirano (vodeći lanac) a drugi diskontinuirano, u vidu Okazaki fragmenata koji se kasnije povezuju (lanac koji zaostaje).

=> Replikacija je semidiskontinuiran proces

Replikativna viljuška

Enzimi replikacije

1. DNK polimeraza

2. RNK polimeraza ili primaza – enzim koji vrši sintezu RNK početnice (prajmera) na čiji će 3‘ kraj DNK polimeraza nastaviti da ugrađuje nukleotide

(RNK početnica je neophodna kako za vodeći lanac, tako i za svaki Okazaki fragment)

3. Ligaza- enzim koji povezuje Okazaki fragmente

(jako je važno da pre povezivanja Okazaki fragmenata, RNK početnice budu isečene i da se ta praznina popuni, a to vrši enzim DNK polimeraza)

•DNK polimerazu I

• polimerazna aktivnost u smeru 5’-3’• egzonukleazna aktivnost u smeru 3’-5’• egzonukleazna aktivnost u smeru 5’-3’.

DNK polimeraza II • polimerazna aktivnost u smeru 5’-3’• egzonukleazna aktivnost u smeru 3’-5’

DNK polimeraza III (DNK replikaza)• polimerazna aktivnost u smeru 5’-3’• egzonukleazna aktivnost u smeru 3’-5’

sinteza Okazaki fragmenata i isecanje

prajmera iz lanca koji zaostaje

uključena u procese reparacije

sinteza vodećeg lanca

Bakterijske DNK polimeraze

1. DNK helikaze (mašine na ATP pogon)-omogućavaju raskidanje H-veza i otvaranje dvolančane zavojnice

2. SSB proteini (single-stranded DNA binding)-proteini koji se vezuju za jednolančanu DNK i održavaju replikativnu viljušku otvorenu

3. DNK TOPOIZOMERAZE-smanjenje tenzije uvrtanja u dvolančanom delu DNK usled otvaranja replikativne viljuške (kod prokariota se nazivaju DNK žiraze)

Razdvajanje lanaca DNK i formiranje replikativne viljuške

Tenzija uvrtanja

Replikacija DNK

Replikacija DNK kod eukariota• Replikacija počinje na više mesta duž hromozoma - replikoni, što obezbeđuje brže udvajanje velikog molekula DNK

• Smatra se da se ne narušava struktura nukleozoma

DNK polimeraze α , β, γ, δ, ε

γ – replikacija mitohondrijske DNK

β i ε –reparacija oštećenja DNK

α i δ –replikacija hromozomske DNK

DNK polimeraza α-sintezu Okazakijevih fragmenatDNK polimeraza δ –sinteza vodećeg lanca

DNK polimeraze kod eukariota

Transkripcija• iRNK, tRNK, rRNK, mala nuklearna (snRNA), mala nukleolarna (snoRNA)....

• Sve osim iRNK su krajnji produkti ekspresije gena

• RNK polimeraza – glavni enzim transkripcijesinteza novog molekula RNK u pravcu 5’ →3’

• Transkripciona jedinica – segment DNK koji se prepisuje

• Segment DNK koji prepoznaje i za koji se vezuje RNK polimeraza se naziva promotor

• Transkripcija je važno mesto regulacije genske ekspresije

RNK polimeraza

• ne zahteva prisustvo prajmera ili početnice

• RNK polimeraza se vezuje za nukleozidtrifosfate ATP, GTP, CTP i UTP

• po principu komplementarnosti sa deoksinukleotidima u DNK ugrađuje komplementarne nukleozidmonofosfate

• energija dobijena odvajanjem PPi, a zatim 2Pi

U

Tri faze transkripcije:

1. inicijacija (vezivanje RNK polimeraze za promotor,otvaranje dvolancane zavojnice

2. elongacija (ugradnja nukleotida, formiranje fosfodiestarske veze)

3. terminacija

Orijentacija promotora iizbor lanca-matrice

Novosintetisani (“sense” ili smisleni lanac) lanac RNK je i po smeru i po redosledu nukleotida identičan lancu DNK koji nije prepisan osim što umesto T ugradjuje U (“nonsense” ili besmisleni lanac )

Transkripcija kod prokariota

•Kod prokariota transkripcija se odvija u nukleoidu. •Sve tri vrste RNK prepisuje jedna RNK polimeraza

•Molekul iRNK, koji nastaje na ovaj način se ne obrađuje, odmah po sintezi je funkcionalan, nosi informaciju za sintezu obično više proteina, koji su potrebni za obavljanje jednog metaboličkog procesa.•Pošto se set susednih gena prepisuje na jednu RNK koja onda kodira više proteina, ova RNK je označena kao POLICISTRONSKA

Cistron – deo DNK kodiran za jedan polipeptidni lanac•Kod eukariota-1gen-1RNK-1 protein-MONOCISTRONSKA RNK

TRANSKRIPCIJA KOD PROKARIOTA

• Istovremeno sa translacijom

• iRNK - kratkoživeće

• RNK polimeraza E.coli•Holoenzim: jezgro (, α΄( ω), , ’) i

Sigma subjedinica ima ulogu u prepoznavanju promotorskog regiona, a da bi otpočela transkripcija sigma subjedinica mora da disosuje

signal za terminaciju:

- specificno uvrtanje transkripta (formiranje intramolekulske zavojnice) zbog uzastopnih U ostataka ili

- vezivanje ρ faktora

TERMINACIJA TRANSKRIPCIJE

Razlike izmedju inicijacija transkripcije kod prokariota i eukariota

 • bakterije sadrže jedan tip RNK polimeraze dok eukarioti sadrže 3 tipa

RNK polimetaze

• transkripcija i translacija su vremenski i prostorno odvojeni kod eukariota

• bakterijska RNK polimeraza može sama inicirati transkripciju dok eukarioteske zahtevaju pomoć odredjenih proteina koji se nazivaju transkripcioni faktori

• inicijacija transkripcije kod eukariota je kompleksnija i zbog pakovanja DNK u nukleozome

RNK polimeraze u eukariotskoj ćeliji

RNK pol I

RNK pol II

RNK pol III

lokalizacija produkti

nukleolus 28S , 18S , 5.8S rRNK

nukleus m(i) RNK i neke snRNK

nukleus tRNK , 5S rRNK i neke snRNK

Promotori za RNK polimerazu II cesto sadrze tata box

Nastala pre-mRNK (hnRNA) sadrzi egzone (kodirajuca sekvenca za polipeptidni lanac) i introne (umetnute sekvence) i podleže čitavom nizu transformacija:

•Vezivanje modifikovanog guanozina na 5’ kraj (5’ kapa)

•Vezivanje poli A na 3’ kraj (3’ rep)

•Isecanje introna i povezivanje egzona

(vrši se u splajsozomima)

Posttranskripciona obradaiRNK kod eukariota

Proces prevodjenja sekvence nukleotida mRNK u sekvencu aminokiselina u proteinu.

Translacija – sinteza proteina

Translacija se odvija na ribozomima

Triplet baza na DNK – KOD

Triplet baza na iRNK – KODON (kodon je komplementaran kodu)

Triplet baza na tRNK – ANTIKODON(antikodon je komplementaran kodonu)

=> šifra za jednu aminokiselinu

Standardni genetički kod

• iRNK klizi duž ribozoma i nosi informaciju o redusledu aminokielina

• tRNK dovodi jednu po jednu aminokiselinu do ribozoma (antikodoni na tRNK su komplementarni kodonima na iRNK)

• Faze translacije: inicijacija, elongacija i terminacija

• mnogi proteinski faktori potrebni za svaki korak

• start kodon (AUG za metionin kod eukariota, formilmetionin kod prokariota)

• stop kodoni, signal za prestanak prevodjenja

Vezivanje kodon - antikodon

sinteza proteina: od N ka C krajučitanje kodona na iRNK: od 5‘ ka 3‘ kraju

Sinteza proteina – u tri koraka

•Peptidil transferaza – katalitička aktivnost velike subjedinice ribozoma

•Utrošak energije (GTP)

Da bi postao funkcionalan novosintetisani protein podleže posttranslacionim modifikacijama

Kontrola ekspresije gena kod prokariota

• najviše na nivou transkripcije

Elementi koji kontrolišu njihovu ekspresiju

Geni koji kodiraju funkcionalno povezane enzime se nalaze jedan do drugog, imaju zajednički promotor i čine jednu ekspresionu jedinicu (od njih nastaje policistronska iRNK)

OPERON

• U okviru promotora nalazi se operator, mesto za koje se vezuju regulatorni proteini koji mogu biti aktivatori ili represori, i koji onda aktiviraju ili inhibiraju transkripciju datog operona

Primer: negativna kontrola Lac operona

Laktozni operon: tri gena čiji produkti učestvuju u razgradnji laktoze

Nema laktoze, represor vezan za operator =>nema transkripcije

Ima laktoze, represor se vezuje za laktozu => teče transkripcija

Kontrola ekspresije gena kod Kontrola ekspresije gena kod eukariotaeukariota

GENIGENI

Transkripcija

RNKRNK

Kontrola regulacijom transkripcije

Kontrola regulacijom translacijeTranslacija

PROTEINIPROTEINI(ENZIMI)(ENZIMI)

Kontrola proteazama NEAKTIVNI NEAKTIVNI

ENZIMIENZIMIBez modifikacije

FUNKFUNKCCIONALNIIONALNIENZIMIENZIMI

Kovalentna modifikacija

Degradacija

Kontrolaposttranslacionommodifikacijom

AKTIVNIAKTIVNIENZIMIENZIMI

Inhibiija i aktivacija Kontrola

funkcionalnosti enzima

GENdeo DNK koji koji nosi informaciju za sintezu RNK molekula (rRNK, tRNK) ili polipeptidnog lanca (preko iRNK)

GENOM kompletan genetički materijal organizma (obuhvata gene ali i nekodirajuće sekvence)

GENOTIPčitav set gena jednog organizma