Biohemija nukleinskih kiselina. Genetska informacija

Transcript

1 Biohemija nukleinskih kiselina Genetska informacija

2 deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske kiseline (RNK) 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.

3 Graña nukleozida i nukleoida ostatak fosforne kiseline nukleotid azotna baza šećer pentoza nukleozid

4 Azotne baze

5 Pentoze Fosfatna grupa

6 Sastav DNK nukleotida: dezoksiriboza azotna baza (A, G, C ili T) ostatak fosforne kiselina Sastav RNK nukleotida: riboza azotna baza (A, G, C ili U) ostatak fosforne kiselina

7 Hemijske veze u nukleotidu ostatak fosforne kiseline azotna baza šećer pentoza

8 Nazivi nukleozida i nukleotida Nukleotide možemo smatrati, s jedne strane kao estre nukleozida (fosfate), a sa druge strane kao kiseline zbog prisustva ostataka fosforne kiseline pa im u skladu sa tim dajemo i nazive.

9 Dezoksiribonukleotidi NUKLEOTID: SKRAĆENICE: NUKLEOZID: dezoksiadenozin-5'-monofosfat dezoksiadenozinmonofosfat 5'-dezoksiadenilna kiselina dezoksiadenilat A, da, damp dezoksiadenozin dezoksiguanozin-5'-monofosfat dezoksiguanozinmonofosfat 5'-dezoksiguanilna kiselina dezoksiguanilat G, dg, dgmp dezoksiguanozin

10 Dezoksiribonukleotidi NUKLEOTID: SKRAĆENICE: NUKLEOZID: (dezoksi)timidin-5'-monofosfat (dezoksi)timidinmonofosfat 5'-(dezoksi)timidilna kiselina (dezoksi)timidilat T, dt, dtmp (dezoksi)timidin dezoksicitidin-5'-monofosfat dezoksicitidinmonofosfat 5'-dezoksicitidilna kiselina dezoksicitidilat C, dc, dcmp dezoksicitidin

11 Ribonukleotidi NUKLEOTID: SKRAĆENICE: NUKLEOZID: adenozin-5'-monofosfat adenozinmonofosfat 5'-adenilna kiselina adenilat A, AMP adenozin guanozin-5'-monofosfat guanozinmonofosfat 5'-guanilna kiselina guanilat G, GMP guanozin

12 Ribonukleotidi NUKLEOTID: SKRAĆENICE: uridin-5'-monofosfat uridinmonofosfat 5'-uridilna kiselina uridilat U, UMP citidin-5'-monofosfat citidinmonofosfat 5'-citidilna kiselina citidilat C, CMP NUKLEOZID: uridin citidin

13 Povezivanje nukleotida u polinukleotidni niz fosfodiestarske veze između C3 atom pentoze jednog nukleotida ic5 atomapentoze narednog nukleotida u lancu

14 Redosled nukleotida primarna struktura DNK i RNK Početak polinukleotidnog niza je 5 kraj Genetska informacija je uskladištena u primarnoj strukturi nukleinske kiseline

15

16 Sekundarna struktura DNK dupli heliks -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)

17 G-C: 3 vodonične veze A-T: 2 vodonične veze

18 DNK je fleksibilan ilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u zavisnosti od sekvence baza i/ili uslova izolovanja B-DNK (Watson-Crick struktura)-desna zavojnica, precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 nm A-DNK desna zavojnica, precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 nm Z-DNK leva zavojnica, precnik heliksa 1.8 nm, 12 bp po zavojnici, jedna zavojnica 4.5 nm

19 Struktura RNK Opšte karatkteristike: Vrste: Riboza, uracil Obično jednolančana, ipak često prisutna sekundarna i tercijerna struktura Nosilac naslednih informacija nekih virusa irnk, trnk, rrnk učestvuju u sintezi proteina druge RNK učestvuju u sintezi i obradi RNK Neke RNK imaju enzimsko dejstvo

20 Pakovanje DNK u ćeliji Eukarioti DNK spakovana u hromozome, interakcija sa histonskim i nehistonskim proteinima Prokarioti superspiralizovana cirkularna DNK, interakcija sa RNK i proteinima

21 Nukleozomi prvi nivo pakovanja

22 30 nm vlakno sledeći nivo pakovanja učestvuje histon H1

23 30 nm vlakno nukleozomi

24 Dvolančana zavojnica DNK Nukleozomi Nukleozomski paketi Petlje Trake na hromozomima Metafazni hromozom

25 Centralna dogma molekularne biologije DNK se prepisuje u RNK,a RNK nosi informaciju za sintezu proteina

26

27

28 Replikacija (replika=kopija) Proces dupliranje molekula DNK pri kome od jednog nastaju dva potpuno identična molekula DNK. Semikonzervativan proces Semidiskontinuiran proces

29 SEMIKONZERVATIVNI MODEL REPLIKACIJE roditeljski molekul DNK razdvajanje lanaca pri čemu će svaki poslužiti kao matrica za sintezu novog lanca komplementarno sparivanje baza dva novonastala molekula DNK

30 DNK-polimerazama glavni enzim 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 dezoksribonukleozidtrifosfate DNK-polimeraza kopira DNK sa vrlo visokom tačnošću -greška prilikom replikacije 10-9

31 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

32 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

33 dve replikativne viljuške Replikacija kod bakterija

34 Replikativna viljuška 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

35 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)

36 Bakterijske DNK polimeraze DNK polimerazu I polimerazna aktivnost u smeru 5-3 egzonukleazna aktivnost u smeru 3-5 egzonukleazna aktivnost u smeru 5-3. uključena u proces replikacije DNK polimeraza II polimerazna aktivnost u smeru 5-3 egzonukleazna aktivnost u smeru 3-5 uključena u procese reparacije DNK polimeraza III (DNK replikaza) polimerazna aktivnost u smeru 5-3 egzonukleazna aktivnost u smeru 3-5 glavni enzim replikacije

37 Razdvajanje lanaca DNK i formiranje replikativne viljuške 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)

38 Tenzija uvrtanja

39

40 Replikacija DNK

41 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

42 DNK polimeraze kod eukariota DNK polimerazeα, β, γ, δ, ε. γ replikacija mitohondrijske DNK β reparacija oštećenja DNK α i δ i ε replikacija hromozomske DNK

43 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

44 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

45

46 Tri faze transkripcije: 1. inicijacija (vezivanje RNK polimeraze za promotor, otvaranje dvolancane zavojnice 2. elongacija (ugradnja nukleotida, formiranje fosfodiestarske veze) 3. terminacija

47 Orijentacija promotora i izbor 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

48 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 deo DNK kodira za jedan polipeptidni lanac Kod eukariota-1gen-1rnk-1 protein- MONOCISTRONSKA RNK

49 TRANSKRIPCIJA KOD PROKARIOTA Istovremeno sa translacijom irnk - kratkoživeće RNK polimeraza E.coli Holoenzim: jezgro (α,α ( ω), β, β ) i σ Sigma subjedinica ima ulogu u prepoznavanju promotorskog regiona, a da bi otpočela transkripcija sigma subjedinica mora da disosuje

50 TERMINACIJA TRANSKRIPCIJE signal za terminaciju: - specificno uvrtanje transkripta (formiranje intramolekulske zavojnice) zbog uzastopnih U ostataka ili - vezivanje ρ faktora

51 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

52 RNK polimeraze u eukariotskoj ćeliji lokalizacija produkti RNK pol I nukleolus 28S, 18S, 5.8S rrnk RNK pol II nukleus irnk RNK pol III nukleus trnk, 5S rrnk

53 Posttranskripciona obrada irnk kod eukariota 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)

54

55

56 Translacija sinteza proteina Proces prevodjenja sekvence nukleotida mrnk u sekvencu aminokiselina u proteinu. Translacija se odvija na ribozomima

57 geneticki kod Triplet baza na irnk KODON Triplet baza na trnk ANTIKODON (antikodon je komplementaran kodonu) => šifra za jednu aminokiselinu

58 Standardni genetički kod

59 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

60 Vezivanje kodon - antikodon

61 sinteza proteina: od N ka C kraju čitanje kodona na irnk: od 5 ka 3 kraju

62 Sinteza proteina u tri koraka Peptidil transferaza katalitička aktivnost velike subjedinice ribozoma Utrošak energije (GTP)

63 Da bi postao funkcionalan novosintetisani protein podleže posttranslacionim modifikacijama

64 Kontrola ekspresije gena kod prokariota najviše na nivou transkripcije Geni koji kodiraju funkcionalno povezane enzime se nalaze jedan do drugog, imaju zajednički promotor i čine jednu ekspresionu jedinicu (od njih nastaje policistronska irnk) Elementi koji kontrolišu njihovu ekspresiju OPERON

65 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 operona Laktozni operon: tri gena čiji produkti učestvuju u razgradnji laktoze

66 Nema laktoze, represor vezan za operator => nema transkripcije Ima laktoze, represor se vezuje za laktozu => teče transkripcija

67 Kontrola ekspresije gena kod eukariota

68 Transkripcija GENI RNK Kontrola regulacijom transkripcije Translacija Kontrola regulacijom translacije Bez modifikacije PROTEINI (ENZIMI) Kontrola proteazama Degradacija NEAKTIVNI ENZIMI FUNKCIONALNI ENZIMI Inhibiija i aktivacija Kovalentna modifikacija Kontrola funkcionalnosti enzima Kontrola posttranslacionom modifikacijom AKTIVNI ENZIMI

69 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