biohemija nukleinskih kiselina · pdf filehemijske veze u nukleotidu ostatak fosforne kiseline...
TRANSCRIPT
Biohemija nukleinskih kiselinaBiohemija nukleinskih kiselinaBiohemija nukleinskih kiselinaBiohemija nukleinskih kiselina
Genetska informacijaGenetska informacijaGenetska informacijaGenetska informacija
DNK je nosilac naslednih informacija u ćeliji, dok RNK učestvuju u prenošenju tih informacija i njihovom
prevoñenju u proteine.
RNK je nolisac naslednih informacija kod nekih virusa.
deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske kiseline (RNK)kiseline (RNK)kiseline (RNK)kiseline (RNK)
Graña nukleozida i nukleoidaGraña nukleozida i nukleoida
ostatak fosforne kiseline
šećer – pentoza
azotna baza
nukleotidnukleotid
nukleozidnukleozid
Azotne bazeAzotne baze
PentozePentoze Fosfatna grupaFosfatna grupa
Sastav DNK nukleotida:
dezoksiriboza
azotna baza (A, G, C ili T)
ostatak fosforne kiselina
Sastav DNK nukleotida:
dezoksiriboza
azotna baza (A, G, C ili T)
ostatak fosforne kiselinaSastav RNK nukleotida:
riboza
azotna baza (A, G, C ili U)
ostatak fosforne kiselina
Sastav RNK nukleotida:
riboza
azotna baza (A, G, C ili U)
ostatak fosforne kiselina
Hemijske veze u nukleotiduHemijske veze u nukleotidu
ostatak fosforne kiseline
šećer – pentoza
azotna baza
Nazivi nukleozida i nukleotidaNazivi nukleozida i nukleotida
Nukleotide možemo smatrati, s jedne strane kaoestre nukleozida (fosfate), a sa druge strane kaokiseline zbog prisustva ostataka fosforne kiselinepa im u skladu sa tim dajemo i nazive.
DezoksiribonukleotidiDezoksiribonukleotidi
dezoksiadenozin-5'-monofosfatdezoksiadenozinmonofosfat5'-dezoksiadenilna kiselinadezoksiadenilat
A, dA, dAMP
dezoksiadenozin
dezoksiadenozin-5'-monofosfatdezoksiadenozinmonofosfat5'-dezoksiadenilna kiselinadezoksiadenilat
A, dA, dAMP
dezoksiadenozin
NUKLEOTID:
SKRAĆENICE:
NUKLEOZID:
dezoksiguanozin-5'-monofosfatdezoksiguanozinmonofosfat5'-dezoksiguanilna kiselinadezoksiguanilat
G, dG, dGMP
dezoksiguanozin
dezoksiguanozin-5'-monofosfatdezoksiguanozinmonofosfat5'-dezoksiguanilna kiselinadezoksiguanilat
G, dG, dGMP
dezoksiguanozin
DezoksiribonukleotidiDezoksiribonukleotidi
NUKLEOTID:
SKRAĆENICE:
NUKLEOZID:
(dezoksi)timidin-5'-monofosfat (dezoksi)timidinmonofosfat5'-(dezoksi)timidilna kiselina(dezoksi)timidilat
T, dT, dTMP
(dezoksi)timidin
(dezoksi)timidin-5'-monofosfat (dezoksi)timidinmonofosfat5'-(dezoksi)timidilna kiselina(dezoksi)timidilat
T, dT, dTMP
(dezoksi)timidin
dezoksicitidin-5'-monofosfat dezoksicitidinmonofosfat5'-dezoksicitidilna kiselinadezoksicitidilat
C, dC, dCMP
dezoksicitidin
dezoksicitidin-5'-monofosfat dezoksicitidinmonofosfat5'-dezoksicitidilna kiselinadezoksicitidilat
C, dC, dCMP
dezoksicitidin
RibonukleotidiRibonukleotidi
adenozin-5'-monofosfat adenozinmonofosfat5'-adenilna kiselinaadenilat
A, AMP
adenozin
adenozin-5'-monofosfat adenozinmonofosfat5'-adenilna kiselinaadenilat
A, AMP
adenozin
guanozin-5'-monofosfat guanozinmonofosfat5'-guanilna kiselinaguanilat
G, GMP
guanozin
guanozin-5'-monofosfat guanozinmonofosfat5'-guanilna kiselinaguanilat
G, GMP
guanozin
NUKLEOTID:
SKRAĆENICE:
NUKLEOZID:
RibonukleotidiRibonukleotidi
NUKLEOTID:
SKRAĆENICE:
NUKLEOZID:
uridin-5'-monofosfaturidinmonofosfat5'-uridilna kiselinauridilat
U, UMP
uridin
uridin-5'-monofosfaturidinmonofosfat5'-uridilna kiselinauridilat
U, UMP
uridin
citidin-5'-monofosfatcitidinmonofosfat5'-citidilna kiselinacitidilat
C, CMP
citidin
citidin-5'-monofosfatcitidinmonofosfat5'-citidilna kiselinacitidilat
C, CMP
citidin
Povezivanje nukleotida u polinukleotidni nizPovezivanje nukleotida u polinukleotidni niz
fosfodiestarske veze između
C3’ atom pentoze jednog
nukleotida i C5’ atoma pentoze
narednog nukleotida u lancu
Redosled nukleotida – primarna struktura DNK i RNKRedosled nukleotida – primarna struktura DNK i RNK
Početak polinukleotidnog niza je 5’ krajPočetak polinukleotidnog niza je 5’ kraj
Genetska informacija je uskladištena u primarnoj strukturi nukleinske kiseline
-2 antiparalelna lanca
formiraju dvostruki heliks
formiranjem vodoničnih
veza izmeñu
komplementarnih baza i
hidrofobnim interakcijama
---- 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 veze
A-T: 2 vodonične veze
BBBB----DNK (WatsonDNK (WatsonDNK (WatsonDNK (Watson----Crick Crick Crick Crick struktura)struktura)struktura)struktura)----desna zavojnica, desna zavojnica, desna zavojnica, desna zavojnica, precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 nmnmnmnm
AAAA----DNK DNK DNK DNK –––– desna zavojnica, desna zavojnica, desna zavojnica, desna zavojnica, precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 nmnmnmnm
ZZZZ----DNK DNK DNK DNK –––– leva zavojnica, precnik leva zavojnica, precnik leva zavojnica, precnik leva zavojnica, precnik heliksa 1.8 nm, 12 bp po heliksa 1.8 nm, 12 bp po heliksa 1.8 nm, 12 bp po heliksa 1.8 nm, 12 bp po zavojnici, jedna zavojnica 4.5 zavojnici, jedna zavojnica 4.5 zavojnici, jedna zavojnica 4.5 zavojnici, jedna zavojnica 4.5 nmnmnmnm
DNK je fleksiDNK je fleksiDNK je fleksiDNK je fleksibbbbilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u ilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u ilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u ilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u zavisnosti od sekvence baza i/ili uslova izolovanjazavisnosti od sekvence baza i/ili uslova izolovanjazavisnosti od sekvence baza i/ili uslova izolovanjazavisnosti 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
30 nm vlakno – sledeći nivo pakovanja
• učestvuje histon H1
30 nm vlakno
nukleozomi
Dvolančana zavojnica DNK
Nukleozomi
Nukleozomski paketi
Petlje
Trake na hromozomima
Metafazni hromozom
–DNK se prepisuje DNK se prepisuje DNK se prepisuje DNK se prepisuje u RNK,a RNK u RNK,a RNK u RNK,a RNK u RNK,a RNK nosi nosi nosi nosi informaciju za informaciju za informaciju za informaciju za sintezu proteinasintezu proteinasintezu proteinasintezu proteina
Centralna dogma molekularne biologijeCentralna dogma molekularne biologijeCentralna dogma molekularne biologijeCentralna dogma molekularne biologije
Replikacija (replika=kopija)
• Proces dupliranje molekula DNK pri kome od jednog nastaju dva potpuno identična molekula DNK.
Semikonzervativan proces
Semidiskontinuiran proces
roditeljskimolekul
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 lancaDNK
– započinje je primaza (RNK polimeraza)
• DNK-polimeraza se vezuje za
dezoksribonukleozidtrifosfate
• 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 oslobaña (dalje u 2Pi),
obezbeñuje 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 ugrañuje 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’
uključena u proces
replikacije
uključena u procese
reparacije
glavni enzim
replikacije
Bakterijske DNK polimeraze
1. DNK helikaze (mašine na ATP pogon)-omogućavaju raskidanje H-veza
i otvaranje dvolančane zavojnice
2. SSB proteini (single strand 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 obezbeñuje 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 –reparacija oštećenja DNK
α i δ i ε –replikacija hromozomske DNK
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 transkripcije
sinteza 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
ribonukleozidtrifosfate ATP, GTP,
CTP i UTP
• po principu komplementarnosti sa
bazama u DNK ugrañuje
komplementarne
ribonukleozidmonofosfate
• 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 lanac RNK je i po smeru i po redosledu nukleotida identičan lancu DNK koji nije prepisan osim što umesto T ugradjuje U. Lanac kom je identičan se naziva sense ili kodirajući, a lanac koji se prepisuje je lanac matrice
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 obrañuje, 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 Cistron Cistron Cistron –––– deo DNK kodira za jedan polipeptidni deo DNK kodira za jedan polipeptidni deo DNK kodira za jedan polipeptidni deo DNK kodira za jedan polipeptidni lanaclanaclanaclanac•Kod eukariota-1gen-1RNK-1 protein-MONOCISTRONSKA RNK
TRANSKRIPCIJA KOD PROKARIOTA
• Istovremeno sa translacijom
• iRNK - kratkoživeće
• RNK polimeraza E.coli
•Holoenzim: jezgro (αααα, α΄( ω), ββββ, ββββ’) i σσσσ
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 iRNK
nukleus tRNK , 5S rRNK
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 - splajsovanje
(vrši se u splajsozomima)
Posttranskripciona obrada
iRNK kod eukariota
Proces prevodjenja sekvence nukleotidaProces prevodjenja sekvence nukleotidaProces prevodjenja sekvence nukleotidaProces prevodjenja sekvence nukleotida mRNK u mRNK u mRNK u mRNK u sekvencu aminokiselina u proteinusekvencu aminokiselina u proteinusekvencu aminokiselina u proteinusekvencu aminokiselina u proteinu.
Translacija Translacija Translacija Translacija –––– sinteza proteinasinteza proteinasinteza proteinasinteza proteina
Translacija se odvija na ribozomima
Triplet baza na iRNK – KODON
Triplet baza na tRNK – ANTIKODON(antikodon je komplementaran kodonu)
=> šifra za jednu
aminokiselinu
geneticki kodgeneticki kodgeneticki kodgeneticki kod
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 prokariotaKontrola ekspresije gena kod prokariotaKontrola ekspresije gena kod prokariotaKontrola 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
aktiviraju ili inhibiraju transkripciju datog operona
Primer: negativna kontrola Lac operonaPrimer: negativna kontrola Lac operonaPrimer: negativna kontrola Lac operonaPrimer: 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
Kontrolaregulacijom translacije
Translacija
PROTEINIPROTEINI
(ENZIMI)(ENZIMI)
Kontrola proteazama NEAKTIVNI NEAKTIVNI
ENZIMIENZIMI
Bez modifikacije
FUNKFUNKCCIONALNIIONALNI
ENZIMIENZIMI
Kovalentna modifikacija
Degradacija
Kontrolaposttranslacionommodifikacijom
AKTIVNIAKTIVNI
ENZIMIENZIMI
Inhibiijai aktivacija
Kontrolafunkcionalnosti enzima
GEN
deo 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)
GENOTIP
čitav set gena jednog organizma