Biohemija nukleinskih kiselina · PDF fileHemijske veze u nukleotidu ostatak fosforne kiseline...

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