ZGRADBA NUKLEOTIDOV NUKLEOTIDI IN NUKLEINSKE KISLINE REPLIKACIJA, TRANKRIPCIJA, TRANSLACIJA

Transcript

1 NUKLEOTIDI IN NUKLEINSKE KISLINE Nukleinske kisline: -linearni polimeri, sestavljeni iz nukleotidov -vrste: deoksiribonukleinska kislina (DNA) in ribonukleinska kislina (RNA) Informacije, zapisane v molekuli DNA, se prepisujejo s sintezo molekul RNA = TRANSKRIPCIJA Zaporedje nukleotidov v RNA se prevaja v sekvenco aminokislin v beljakovini = TRANSLACIJA REPLIKACIJA, TRANKRIPCIJA, TRANSLACIJA Transkripcija Replikacija Replikacija (pomnoževanje), biosinteza DNA-nasledstvo, informacije Transkripcija (prepisovanje) Biosinteza RNA-informacija za proteine Translacija Translacija (prevajanje) Biosinteza proteinov Veriga Vezana A.K. A.K. ZGRADBA NUKLEOTIDOV -Heterociklična dušikova baza (purinska ali pirimidinska) -Fosfatna skupina -Pentoza (riboza v ribonukleotidih, deoksiriboza v deoksiribonukleotidih) fosfoestrska vez O Purinska ali pirimidinska baza O P O CH 2 O N-glikozidna vez 1-3 fosfatne skupine O H H OH H H OH riboza (deoksiriboza)

2 DUŠIKOVE BAZE Pirimidini: Purini: Citozin (DNA, RNA) Uracil (RNA) Timin (DNA) Adenin (DNA, RNA) Guanin (DNA, RNA) Pirimidinski obroč Purinski obroč PIRIMIDINI Citozin 2-okso-4-amino pirimidin Uracil 2-okso-4-okso pirimidin PURINA Timin 2-okso-4-okso 5-metil-pirimidin Adenin 6-amino purin Guanin 2-amino-6-okso-purin

3 PURINI V METABOLIZMU Hipoksantin Ksantin Urat (sečna kislina) PENTOZI V NUKLEOTIDIH D-riboza - v RNA 2-deoksi-D-riboza - v DNA Razlika: 2'-OH vs 2'-H Posledica: - vpliv na sekundarno strukturo - vpliv na stabilnost (DNA je stabilnejša kot RNA!) D-riboza Furanozna obl. β-d-ribofuranoza β-d-2-deoksiriboza Furanozna obl. β-d-2-deoksiribofuranoza RIBO- IN DEOKSIRIBONUKLEOZIDI Baza + sladkor Vez: N-glikozidna Poimenovanje: končnica -idin za pirimidinske (uridin, citidin, timidin) -ozin zapurinske(adenozin, guanozin) Nukleozidi bolj topni v vodi od prostih baz: (vzrok: vezan sladkor) Glikozidna vez v pirimidinskih nukleotidih Glikozidna vez v purinskih nukleotidih

4 RIBONUKLEOZIDI Citidin Uridin Adenozin hipoksantin Guanozin Inozin - neobičajni nukleozid RIBO- IN DEOKSIRIBONUKLEOTIDI Nukleozid + fosfat Nomenklatura: Ribonukleotidi: npr. CMP, CDP, CTP Deoksiribonukleotidi: npr. dcmp, dcdp, dctp Prevladujejo ribonukleotidi Nukleotidi so poliprotične kisline (več disociacijskih stanj) 5 IN 3 - RIBONUKLEOTIDI Fosfoester Adenozin-5 -monofosfat Guanozin-5 -monofosfat Uridin-5 -monofosfat Citidin-5 -monofosfat Nukleozid-3 -monofosfat

5 FUNKCIJE NUKLEOTIDOV Gradniki nukleinskih kislin (informacijska vloga) Sestavni del koencimov (NAD, CoA, itd.) Nukleozid-5'-trifosfati: prenašalci energije in aktivacijska vloga: ATP: posrednik energije GTP: poganja proteinsko sintezo CTP: poganja lipidno sintezo UTP: poganja ogljikohidratni metabolizem Ciklična nukleotida camp, cgmp: signalni molekuli in regulatorja metabolizma camp ADENOZIN TRIFOSFAT (ATP) Fosfoanhidridne vezi Fosfoestrska vez Adenozin (riboza + adenin) Adenozin monofosfat (AMP) Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP) NUKLEINSKE KISLINE POLINUKLEOTIDI Polimeri, vezani s 3, 5 -fosfodiestersko vezjo Ribonukleotidi: ribonukleinske kisline Deoksiribonukleotidi: deoksiribonukleinske kisline Dogovor: zaporedje se vedno bere od 5' 3' V genski informaciji 5 3 ustreza v proteinih N C

6 VRSTE NUKLEINSKIH KISLIN DNA - ena vrsta, en namen (informacija) RNA -več vrst, več namenov ribosomalna RNA (rrna) - osnova za strukturo in funkcijo ribosomov informacijska (sporočevalna, messenger ) RNA (mrna) - prenaša informacije. Vmesnik med DNA in proteini prenašalna (transfer) RNA (trna) - prenaša aminokisline med biosintezo proteinov small nuclear RNA (snrna) editiranje mrna v jedru (izrezovanje intronov) small interfering RNA (sirna) regulacija genske ekspresije, utišanje genov KOVALENTNA ZGRADBA DNA IN RNA RNA DNA 5 A T Variabilen del C G Usmerjenost! G C 3 U invarianten del A DVOJNA VIJAČNICA (HELIKS) DNA Rosalind Franklin: X-žarkovna difrakcija orientiranih fibril DNA Francis Crick razvozljal pomen uklonske slike: dvojna vijačnica James Watson opisal H-vezi 5 3 a) antiparalelni verigi b) komplementarni

7 stara stara PODVOJITEV DNA starševska veriga Komplementarnost baz pomen pri prenosu genske informacije! stara nova nova stara LASTNOSTI DVOJNEGA HELIKSA Dve polinukleotidni verigi sta zaviti okrog iste osi. Desni navoj. Veliki in mali žleb na površini. Obe verigi sta antiparalelni: usmerjenost 5-3 poteka v nasprotnih smereh. V vodni raztopini so fosfatne skupine in sladkorji na zunanjosti heliksa in so izpostavljeni vodi. Hidrofobne baze so usmerjene v notranjost heliksa in so pravokotne na njegovo os. 10 baznih parov na zavoj heliksa. Diameter: 2 nm Stabilizacija heliksa z: -H-vezmi med bazami: A::T, G:::C -Van der Waalsovimi in hidrofobnimi interakcijami med naloženimi bazami (med elektroni v π-orbitalah) A T Timin Adenin Bazna PARA para BAZNA Citozin Guanin G C

8 BAZNA PARA A-T, C-G Bazna para A:T in G:C imata skoraj enake dimenzije A in T: 2 H-vezi G in C: 3 H-vezi G:C-bogate regije DNA bolj stabilne Polarni atomi sladkorno-fosfatne verige tudi tvorijo H-vezi T Veliki jarek A C Veliki jarek G Mali jarek Mali jarek SEKUNDARNA STRUKTURA DNA - A-, B- in Z-oblika DNA - sladkor-fosfatna veriga se nahaja na obodu dvojne vijačnice - baze (vezane s H-vezmi) se nahajajo znotraj dvojne vijačnice - desni zavoj-razdalja med baznimi pari v B-DNA je 3.4 Å (0.34 nm) B-DNA a) lestev Razdalja med paroma b) heliks Razdalja med paroma Višina navoja 0.34 nm 10 nukleotidov/navoj

9 A-, B- IN Z-OBLIKA DNA Lastnost kratek, širok daljši, tanek podolgovat Višina/bp 0.25 nm 0.33 nm 0.38 nm Premer 2.55 nm 2.37 nm 1.84 nm Sukanje desno desno levo Št. bp/zavoj Rotacija/bp Višina navoja 2.46 nm 3.32 nm 4.56 nm INTERKALATORJI DNA B-DNA pred interkalacijo Interkalatorji B-DNA po interkalaciji Etidijev bromid Akridin oranžno Aktinomicin D Detekcija DNA v agaroznih gelih z uporabo transiluminatorja DENATURACIJA DNA Povzročajo jo: toplota, kisline, baze, denaturanti Segrevanje raztopine DNA do 80 0 C: UV absorbcija naraste za 30-40% Hiperkromni premik odraža razvitje dvojnega heliksa DNA Vzporednopakiranibaznipariv nativnidna absorbirajomanjsvetlobe Če ponovno znižamo temperaturo, se tudi absorbanca zmanjša: ponovno pakiranje baznih parov Relativna absorpcija (260 nm) Temperatura ( C)

10 TALJENJE DNA - SHEMA Nativna DNA DenaturiranaDNA RenaturiranaDNA Toplota Nukleacija (drugega reda) Počasi Vezava (prvega reda) Hitro (Hibridizacija DNA:RNA) SUPERZVITJE IN PREKRIŽANE OBLIKE TERCIARNA STRUKTURA DNA DNA je le redko v linearni obliki! - cirkularna DNA (plazmidna, fagna, bakterijska) - linearna (fagi, evkarionti) topoizomeraze ali giraze lahko povzročijo tvorbo ali razpad superzvitja relaksirana DNA SUPERZVITJE NAVIJANJE DNA NA PROTEINE superzvita DNA

11 DNA IZ E. coli Dolžina ~ 1.6 milijonov nm (E. coli) Kompaktna in spakirana (celica E. coli je dolga le 2000 nm) HISTONI - NUKLEOSOM Eukariontska DNA je navita na histone proteinov, tvori nukleosome Histonski oktamer Nukleosom Histonski oktamer DNA ZGRADBA KROMOSOMOV humana DNA, v celoti dolga ~2 m, se spakira v jedru v kromosomih (d jedra ~ 5 μm zgostitev za okoli 100,000 x navijanje DNA okoli proteinskih tuljav, nukleosomov, nato pakiranje teh v helikalne filamente

12 PAKIRANJE DNA IN PROTEINOV V KROMOSOM Dvojna vijačnica DNA Kromatinska ogrlica Solenoid (6 nukleosomov na zavoj) Št. baznih parov na zavoj Učinkovitost pakiranja Zanke (50 zavojev na zanko) Vrvica (18 zank) Kromosom (zlepljene vrvice) STRUKTURA RNA Razlike med DNA in RNA: - deoksiriboza namesto riboze: DNA je zato bolj stabilna (nosilec genetske informacije) -timinnamesto uracila DNA je zvita v dvojni heliks (sekundarna struktura) RNA je zvita v nekaj različnih strukturnih elementov, ki so razmeščeni preko celotnega zaporedja: Lasnice Desno sučni dvojni heliksi (interakcije med deli zaporedja) Interne zanke in izbokline Transkripcijski produkt DNA mrna Prokarionti: ena molekula mrna vsebuje informacijo za sintezo več proteinov Eukarionti: ena molekula mrna določa le en protein, vendar sestavljena iz intronov in ekzonov DNA se prepiše v heterogeno nuklearno RNA (hnrna) pomešani introni in ekzoni, konča se s poli-a ekzoni- sekvence, ki kodirajo protein introni -vmesnesekvence poli-a rep - stabilnost? izrezovanje intronov in povezovanje ekzonov --> zrela mrna (brez intronov)

13 ZGRADBA mrna Prokarinoti Segment DNA mrna Eukarionti Segment DNA Izrezovanje intronov povezovanje ekzonov hnrna mrna trna Najmanjši tip RNA Prenaša AK pri sintezi proteinov (translaciji) Kratka polinukleotidna veriga: nukleotidov Več baz običajno metiliranih Za vsako AK vsaj ena trna, ki prenaša AK na ribosom Struktura trna 3'-terminalni konec zaporedja vedno CCA-3 (vezava AK) - aminoaciltrna molekule so substrati v translaciji STRUKTURA trna H-vezi (cca. 50%) tvorijo 4 območja z dvojno-helikalno zgradbo, tri tvorijo zanke, ena pecelj Znana le ena vrsta zgradbe trna Mnogo neobičajnih baz in načinov parjenja v trna Struktura zelo ohranjena pomen pri sintezi proteinov (sekundarna: deteljica, terciarna: L)! Struktura trna Akceptorski pecelj Invarianten G Inverianten pirimidin Invarianten TΨC Invarianten purin Antikodon CCA 3 konec 3 -CCA konec trna D zanka zanka Antikodon Variabilna zanka Antikodonska zanka Aminokislina Estrska vez 3

14 trna - mrna aminokislina metilguanozin dihidrouridin dimetilguanozin inozin ribotimidin dihidrouridin pseudouridin metilinozin pseudouridin Antikodon Kodon rrna Ribosomi: okoli 2/3 RNA, 1/3 proteini rrna je ogrodje za vezavo ribosomskih proteinov 23S rrna v E. coli je peptidil transferaza! Vsi organizmi imajo podobno prostorsko zgradbo in funkcijo rrna se morata ohranjati zaradi funkcionalnosti! ZGRADBA RIBOSOMOV Bakterije Eukarionti Podenoti Podenoti Proteini Proteini

15 16S rrna IZ 3 RAZLIČNIH ORGANIZMOV E. coli Arheja Kvasovka