4c29e0d4b0f04-Maturski Rad Iz Biologije

Гимназија „Стеван Сремац”

Матурски рад

Предмет: БиологијаТема: Молекулске основе биолошких процеса

Професор: Ученик: Стамена Савић Маја Миловановић IV - 4

Ниш, јуни 2008.

Матурски рад из биологије Маја Миловановић IV - 4

Садржај

Увод____________________________________________________________________________3

Молекулске основе биолошких процеса______________________________________________4

Синтеза______________________________________________________________________________5

ДНК_________________________________________________________________________________5

Физичке и хемијске карактеристике____________________________________________________6

Спаривање база_______________________________________________________________________7

Денатурација и хибридизација ДНК____________________________________________________8

Паковање молекула ДНК у ћелијама____________________________________________________8

Репликација ДНК________________________________________________________________9

Еукариотска репликација ДНК молекула______________________________________________10

РНК___________________________________________________________________________11

Примарна и секундарна структура РНК________________________________________________11

Врсте и улоге РНК___________________________________________________________________12

Генетички код__________________________________________________________________12

Стандардни генетски код_____________________________________________________________13

Транскрипција__________________________________________________________________15

Транслација____________________________________________________________________16

Основни механизам__________________________________________________________________17

Прокариотска транслација___________________________________________________________17

Еукариотска транслација_____________________________________________________________18

Молекулске основе односа гена, протеина и фенотипских особина____________________18

Биохемијска основа развића и диференцијације организма____________________________19

Биотехнологија и генетичко инжењерство________________________________________20

Закључак_______________________________________________________________________21

2


Увод

Молекуларна биологија (или биохемијска генетика) има задатак да објасни основне процесе живота, њихову природу и повезаност. Пошто у живим системима природу и специфичност сваког хемијског процеса детерминишу гени, задатак је молекуларне биологије да тумачењем механизма регулације и експресије гена објасни процесе метаболизма који воде ка остварењу специфичних особина организма тј. његовог фенотипа.

Основни задатак молекуларне биологије јесте да утврди почетне процесе развића особина на молекулском (биохемијском) нивоу, тј. из чега су гени састављени, како се репродукују и који су примарни продукти функције гена, што омогућује да се сагледа како се та њихова функција остварује и фенотипски експримира.

3


Молекулске основе биолошких процеса

Живот сваке ћелије, као и организма у целини, обезбеђује се хиљадама хемијских реакција. У тим биохемијским реакцијама изграђују се структурни елементи ћелија, ствра се енергија и, што је најважније остварују се основне одлике живих бића – развиће и размножавање. Биохемијске реакције се не дешавају спонтано, већ уз помоћ катализатора. Улогу катализатора врше различити молекули протеина, који се називају ензими.

Протеини или беланчевине су велики органски биомакромолекули састављени од амино киселина, које су поређане у линеарне ланце и споједне међусобно пептидним везама између угљениковог атома и амино групе две амино киселине. Секвенца амино киселина у протеину дефинисана је у генима и садржана у генетском коду. Генетски код одређују 20 “основних” амино киселина. Протеини могу да делују заједно да би тако лакше достигли одређене функције и зато се везују у стабилне комплексе. Као и сви биолошки макромолекули, као што полисахариди и амино киселине, и протеини улазе у састав живих организама и учествују у свим процесима међу ћелијама. Многи протеини су ензими који каталишу биохемијске реакције и значајни су за метаболизам. Други имају структурне или механичке функције као протеини у цито скелету, који формирају “кичму” која чини облик ћелије. Значајни су у ћелијском сигналу, адхезији ћелија, имунолошком систему и ћелијском циклусу. Неопходни су у нашој исхрани, јер животиње не могу да синтетишу све амино киселине, и морају неке да узимају из хране. Реч протеин потиче од Грчке речи πρώτα што значи “ најважнији, први ”. Ове молекуле је први описао и именовао Џонс Берцелијус 1838. Први протеин који је издвојен је инсулин од стране Фредерика Сангера, који је добио Нобелову награду за ово откриће 1958. Међу првима су откривени и хемоглобин и миоглобин на основу кристалографје X-зрачења.

Синтеза

Протеини су склопљени од амино киселина чији је распоред записан у генима. Сваки протеин има јединствену амино киселинску секвенцу која је одређена секвенцом нуклеотида у гену, а њу одређује протеин. Генетски код је сет три нуклеотида који се зову кодони. Све три нуклеотидне комбинације су својствене за једну аминокиселину, нпр. AUG је комбинација за метионин. ДНА садржи четири различита нуклеотида, што значи да је број могућих комбинација кодона 64. Гени садржани у ДНА се прво транскрибују у информациону РНА преко (иРНА) пошиљаоца, као што је РНА-полимераза. Након тога иде у рибозоме. У прокариотима иРНА може да се користи као сама или да се веже за рибозоме који је односе из нуклеотида. Еукариоти праве иРНА у ћелијском једру и онда се премештају кроз мембрану једра у цитоплазму где долази до синтезе протеина. [6] Процес синтезе протеина помоћу иРНК се зове транслација. иРНК се убацује у рибозоме и проналази три нуклеотида који јој одговарају. Ензими аминоацил-тРНК синтетаза пуни тРНК са одговарајућим амино киселинама. Протеини се увек синтетишу од N-терминуса до C-терминуса.

4


ДНК

Дезоксирибонуклеинска киселина (скраћено ДНК) је нуклеинска киселина која садржи упутства за развој и правилно функционисање свих живих организама. Сва жива бића свој генетски материјал имају у облику ДНК, са изузетком неких вируса који имају РНК (рибонуклеинска киселина). ДНК има веома важну улогу у, не само преносу генетских информација са једне на другу генерацију, већ садржи упутства и за грађење неопходних ћелијских органела, протеина и РНК молекула. ДНК сегмент који преноси ова важна упуства се назива ген.

У еукариотима, организмима као што су животиње и биљке, ДНК се налази у нуклеусу, језгру ћелије. У прокариотима (нпр. бактерије) ДНК се налази у цитоплазми ћелије. За разлику од ензима, ДНК молекул не утиче директно на друге молекуле, већ различити ензими сарађују са ДНК и копирају информације или у облику дуплог ДНК молекула (видети репликацију ДНК) или у облику протеина. Овакав однос део је централне догме молекуларне биологије. У хромозомима хроматински протеини као што су хистони организују ДНК на тај начин да молекул постаје веома компактан и може да стане у ћелије које су на хиљаде пута мање од ДНК молекула.

ДНК је дугачак полимер сасављен од мањих јединица које се називају нуклеотиди. Нуклеотиди међусобно повезани чине скелетон ДНК молекула саграђеног од шећера и фосфатних група. Овај скелетон такође садржи четири различита молекула, база, и секвенца ондосно редослед ових база је оно што кодира генетски материјал. Једна од битних функција ДНК молекула је пренос информација у облик амино киселина, које граде протеине. Овај пренос информација ДНК молекула у облик који кодира протеине ослања се на читање генетског кода.

Физичке и хемијске карактеристике

ДНК молекул је дугачак полимер који је састављен нуклеотида, јединица које се понављају. Нуклеотиди су веома мале јединице, међутим ДНК молекуле се састоји од милиона нуклеотида, што чини овај молекул веома дугим. Највећи људски хромозом се састоји од 440 милиона нуклеотида, односно 220 милиона пари.

У живим организмима, ДНК молекул је састављен од два полинуклеотидна ланца који су спирално увијени један око другог. База која је повезана са шећером назива се нуклеозид, док база која је повезана са шећером и једном или више фосфатних група се назива нуклеотид. Када је више нуклеотида међусобно повезано, као нпр. у ДНК молекулу, тај полимер се онда назива полинуклеотидни ланац.

Шећер у ДНК молекулу је пентоза (назван тако јер броји пет угљеникових атома) 2-дезоксирибоза (РНК молекул се састоји од шећера рибозе, отуда и пун назив Рибонуклеинска киселина). Шећери су међусобно повезани фосфатним групама које стварају

5


фосфодиестарску везу између трећег и петог угљениковог атома шећерног прстена. Ове асиметричне везе значе да оба полинуклеотидна ланца која чине ДНК молекул имају свој правац. Како оба ланца иду у супротном правцу, можемо да кажемо да је ДНК антипаралелан. Асиметрични крајеви ДНК база се означавају са 5'(пет прим) и 3'(три прим). Антипаралелност значи да један ланац може ићи у правцу 5'→ 3', док супротан ланац иде у правцу 3'→ 5'. Спирални ланац који чини ДНК се одржава у том облику помоћу водоничних веза међу паровима двеју база. У ДНК молукулу постоје четири базе Аденин (А), Цитозин (Ц), Гуанин (Г) и Тимин (Т):

Аденин Гуанин Тимин Цитозин

Хемијске структуре четири базе које чине ДНК молекул.

Четири базе су међусобно комплементарне: аденин (А) једног ланца је увек у пару са тимином (Т) другог, наспрамног ланца, и повезан је двема водоничним везама (и обрнуто). Гуанин (Г) једног ланца је увек у пару са цитозином (Ц) наспрамног ланца (и обрнуто), и повезан је трима водоничним везама. Сваки пар база ротира у односу на суседну за 36°, тако да сваки обртај спирале два полинуклеотидна ланца чине десет парова база (А-Т и Г-Ц). Полинуклеотидни ланци ротирају у оном правцу супротном од казаљки на сату. Вертикална дужина сваког обртаја спирале је 3,4 nm (нанометар). Ову, секундарну структуру ДНК одгонетнули су Вотсон и Крик 1953. и за то откриће добили Нобелову награду. Ове базе су подељене у две групе - пурини (аденин и гуанин) и пиримидине (цитозин и тимин). Урацил (У) база која се налази у РНК молекулу и која замењује тимин, припада пиримидинској групи. Једина разлика између тимина и урацила је недостатак једне метил груп код урацила. Урацил је стандардна база РНК молекула, и не постоји као таква у ДНК молекулу. Једини, тренутно познати, изузетак је бактеријски вирус ПБС1 који у свом ДНК молекулу има урацил као саставну базу.

6


Спаривање база

Свака база са једног ланца се спарује само са једном базом на насупрутном ланцу. Овако спаривање се назива комплементарно спаривање. Пурин се спара са пиримидином водоничним везама, те се А спарује само са Т (двема водоничним везама) и Ц само са Г (трима водоничним везама). Како водоничне везе нису ковалентне, ове везе се лако раскидају и лако поново формирају. Ове везе се раскидају или механичким силама (нпр. током репликације) или високом температуром. Две водоничне везе се лакше раскидају од три везе. Овај податак је битан ако секвенца ДНК молекула није унапред позната. Ако постоји непозната секвенца ДНК молекула, у молекуларној биологији се примењује једна од техника која користи температуру, те што је температура виша, и ДНК молекул се теже раскида, може слободно да се претпостави да тај молекул ДНК има велики број Ц и Г база које су повезане међусобно трима водоничним везама.

Антипаралелност два полинуклеотидна ланца ДНК молекула

Денатурација и хибридизација ДНК

Секундарна структура ДНК је подложна денатурацији. Под денатурацијом се подразумева нарушавање секундарне структуре тако да се дволанчани ДНК молекул раздваја на два полинуклеотидна ланца. Под одговарајућим условима може доћи до ренатурације , тј. до поновног спајања комплементарних ланаца ДНК. Процеси денатурације и ренатурације одигравају се и у ћелији под контролисаним условима и у ограниченом обиму. Ти процеси представљају неопходан предуслов за нормално функционисање ДНК, односно за њену репликацију, транскрипцију па тиме и транслацију.

Када се у раствору нађу два полинуклеотидна ланца који имају комплементарне редоследе нуклеотида, наградиће се хибридни дволанчани молекул. Денатурисана ДНК може да хибридизује са денатурисаном ДНК исте или различите врсте , или са РНК. Хибридизација

7


је нашла веома широку примену у истраживањима у молекуларној биологији и представља једну од основних техника генетичког инжењеринга.

Паковање молекула ДНК у ћелијама

ДНК молекул је пристуан код еукариота и прокариота, и у оба случаја је саграђен од два спирално увијена полинуклеотидна ланца. Међутим, организација ДНК молекула код ових двеју организама је нешто другачија.

Готово код свих прокариота, ДНК молекул је затворен круг саграђен од два спирано увијена полинуклеотидна ланца. Код еукариота организација ДНК молекула је нешто компликованија. ДНК молекул је веома дугачак, у просеку до 2.5 метара. Та дужина молекула мора да стане у ћелије које су јако мало и не могу да се виде голим оком. Тако да ћелија мора да веома компактно спакује ДНК молекул, како би стао у тако сићушан простор. Начин на који је ово могуће је захваљујући протеинима који се зову хистони. Хистони су мали, основни протеини богати амино киселинама као што су лизин и аргинин. У еукариотским ћелијама је пронађено постојање пет хистона: H1, H2A, H2B, H3 и H4.

Хистони су у директном контакту са ДНК молекулом. Осам хистона (од сваког по два H2A, H2B, H3, H4), стварају структуре које изгледају као диск. Око сваког тог диска ДНК молекул се обавије, у дужини од 166 парова (А-Т и Ц-Г). Тако увијени ДНК молекул се обавије око јединог преосталог хистона H1, који не формира структуру у облику диска, већ служи само као веза до следећег диска (изграђеног од горе поменутих хистона) и поново се обавија око следећег диска.

Структура ДНК молекула обавијеног око диска се назива нуклеозом. Гледано кроз микроскоп свеукупна оваква структура изгледа као перлана огрлица. Овим непрекидним увијањем и савијањем ДНК молекула омогужава ћелији да стави ДНК молекул у свој веома мали простор.

8


Репликација ДНК

Репликација ДНК молекула је веома сложен процес и веома важан процес. Цео живот, какав га ми знамо, заснива се на овом процесу. Због важности овог процеса, пуно времена, новца и труда је уложено на разумевање и откривање начина на којима се заснива репликација ДНК. У овом делу чланка биће описана репликација ДНК молекула код еукариота, а нешто касније и код прокариота.

Репликација ДНК одвија се пре сваке ћелијске деобе и омогућава каснију поделу сваког хромозома на две хроматиде. Започиње одмотавањем ланаца ДНК и њиховим раздвајањем. За ослобођене базе у сваком од ланаца вежу се комплементарне базе које међусобно повеже ДНК полимераза. Тако на сваком ланцу настане један нови ланац и цела се ДНК удвостручи.

Пре него што се ћелија подели, неопходно је да се хромозоми тј. ДНК удвостручи (дуплира, копира) како би кћерке ћелије садржале исту количину ДНК, односно све копије гена као и родитељска ћелија. У С-фази интерфазе се врши дуплирање молекула ДНК, тако да ћелија у Г2 фази има дупло већу количину ДНК него у Г1 фази .

Способност ДНК да дуплира саму себе од основне је важности за њену улогу наследног материјала. За репликацију је од највеће важности принцип комплементарности везивања наспрамних база у полинуклеотидним ланцима ДНК. Удвајању молекула ДНК претходи расплитање двоструке спирале и одвајање родитељских ланаца. Родитељски ланци служе као калуп (матрица) за синтезу новог комплементарног ланца ДНК. Сваки новонастали молекул ДНК садржи по један стари и један нови ланац ДНК, па се због каже да је репликација семиконзервативан процес (лат. semi= полу; konservativan =очуван).

Доказ да је репликација семиконзервативан процес добијен је из експеримената са бактеријом ешерихијом (Escherichia coli). Бактерије су гајене на медијуму који је садржао тешки азот (N15) и утврђено је да се он уградио у њихове ћелије и ДНК. Затим су ове бактерије пребачене на медијум који је садржао лаки азот N14 и у њему је обављена само једна деоба бактерија. На основу анализе састава ДНК утврђено је да она садржи N15 и N14 у једнаким количинама.

Репликација се и код прокариота и код еукариота врши бидирекционо, што значи да се од места где почиње врши истовремено у оба смера и то искључиво у 5'-> 3' смеру. При том, репликација коплементарног ланца се ја једне стране репликационе виљушке врши континуирано док се са друге стране синтетишу тзв. Оказаки фрагменти који се под дејством лигаза спајају у ланац. Код прокариота Оказаки фрагменти су дужине 1000-2000 нуклеотида, док су код еукариота нешто преко 10 пута мањи.

Код прокариота, чија је ДНК прстенаста (кружна) репликација почиње на само једном месту и одвија се бидирекционо. Када се ланци ДНК размотају образује се репликациона виљушка (има облик слова Y). Код прокариота у сваком тренутку репликације постоје две репликационе виљушке: једна се креће у смеру казаљке на сату, а друга у супротном смеру.

Репликација ДНК у еукариотама, чија је ДНК линеарна, започиње истовремено на много места дуж хромозома и тече истовремено. На тај начин репликација укупне хромозомске ДНК се у еукариотским ћелијама завршава за неколико сати, иако је брзина уграђивања нуклеотида знатно спорија него код прокариота.

9


Еукариотска репликација ДНК молекула

Репликација ДНК молекула почиње на месту који се зове oriC локус. Протеин ДНК-А се везује за oriC локус и притом се врши хидролиза АТП-а (аденозин-три-фосфат). Ово прво надовезивање доводи до почетног одвијања ДНК молекула из спирале у два линеарна ланца повезана водоничним везама. Да би репликација била успешна ДНК мора да постане линеаран, а не спирално увијен, дакле мора да изгледа као мердевине. Ензими који одвијају ДНК молекул у облик мердевине се зову хеликазе. Ензими одвијају ДНК молекул веома врзо, чак 75 до 100 револуција у секунди. Овакво веома брзо одвијање молекула ДНК може да доведе до стварања тензија полинуклеотидних ланаца. Ова појава тензија се може видети када се увију пертле и када покушамо брзо да их раздвојимо, пертле се увију у чвориће услед тензије. Да би се ово избегло, јер би овакво стварање чворова могло оштетити ДНК молекул, постоје ензими који се зову ДНК топоизомеразе, и који попуштају водоничне везе како би се тензија и стварање чворића избегло. У исто време док се ДНК молекул раздваја у облик мердевина, структура која се назива репликациона виљушка иде одмах иза топоизомераза и раздваја водоничне везе између парова (А-Т и Г-Ц). Да би ови полинуклеотидни ланци остали раздвојени раздвајајући протеини се везују на обе стране сваког ланца и на тај начин одржавају ланце одвојене. Репликација ДНК молекула може да се упореди са рајфелшусом. Када желимо да отворимо рајфелшус, вучемо механизам на доле, и на тај начин добијамо две стране рајфелшуса за раздвојеним зупчаницима. На исти начин се ДНК раздваја, где механизам на рајфелшусу представља репликациону виљушку.

Након раздвајања постоје два полинуклеотидна ланца, један иде у правцу 3'→ 5' док други иде у правцу 5'→ 3' (антипаралелност). Веома важан ензим који синтетише нове полинуклеотидне ланце ДНК Полимезара δ, може да синтетише нови ланац само у правцу 5'→ 3' читајући у правцу 3'→ 5'. То није проблем за водећи ланац који се синтетише у правцу кретања репликационе виљушке.

Синтезу оба ланца обавља ДНК полимераза тек пошто се веже за родитељски ланац који служи као матрица. Овај ензим не може да се веже за огољени ланац-матрицу већ захтева постојање зачетника (прајмера). Зачетник је кратки ланац РНК (на слици је представњен зеленом бојом)и његову синтезу катализује ензим примаза. Када се кратки ланац РНК комплементарно спари (хибридизује) са почетком ланца матрице то омогућује везивање ДНК полимеразе и почиње синтеза новог ланца. За синтезу ланца који заостаје потребно је да се синтетише већи број зачетника. Оказакијеве фрагменте, по завршетку синтезе, међусобно повезује ензим лигаза.

Ланац који се синтетише правцу супротном од правца кретања репликационе виљушке3' → 5' није у могућности да буде комплетно синтетисан, он се синтетише у фрагментима који се називају Оказакијеви Фрагменти (названим по научнику Реији Оказаки који је први указао на њихово постојање) и појављују се само на ланцу који иде у овом правцу. Да би нови ДНК молекул био комплетан и без прекида, ензим Лигаза има улогу лепка и везује фрагменте један за други, и тако добијемо од једног ДНК молекула, два новонастала ДНК молекула. ДНК Полимераза β има важну улогу у провери нових ДНК молекула, тако што иде дуж целих новонасталих ланаца и чита, и тиме проверава да су све базе повезане како треба да буду (А-Т и Г-Ц). ДНК репликација се зауставља када репликациона виљушка наиђе на секвенцу на ДНК молекулу који кодира за стопирање ДНК репликације.

10


Процес ДНК репликације је веома компликован, и један од разлога за ову комплексност је тај да новонастали ДНК молекули морају да буду тачни. Грешке у синтези ДНК молекула могу да доводе до разних болести и често су фаталне. Овај процес звучи веома невероватан када се узме у обзир да се нових 850 базних парова код прокариота синтетише у року од једне секунде, док код еукариота ова брзина је нешто нижа услед велике количине информације 150 базних парова у једној секунди.

РНК

Примарна и секундарна структура РНК

У изградњи молекула РНК (рибонуклеинске киселине) учествују пентозни шећер рибоза, пуринске базе аденин и гуанин и пиримидинске базе, цитозин и урацил, који је карактеристичан за рибонукрибонуклеинске киселине.

РНК су једноланчани молекули који настају тако што се нуклеотиди повезују фосфодиестарским везама чинећи тако примарну структуру РНК. Природа ових веза је иста као у ДНК, само што уместо дезоксирибозе учествује рибоза. Унутар ових једноланчаних молекула комплементарне базе могу да награде краће или дуже дволанчане, спирализоване делове спајајући се водоничним везама (А=У ; Г=Ц). Ти дволанчани делови чине секундарну структуру РНК.

Врсте и улоге РНК

По улози коју у ћелији имају и по свом просторном изгледу, РНК се дели на:

* информациону, и-РНК * транспортну - т-РНК и * рибозомску р-РНК.

Све три врсте настају преписивањем (транскрипција) одређених делова једног ланца ДНК, односно преписивањем гена. Тако да РНК представљају копије појединих гена.

Информациона РНК настаје преписивањем структурних гена који садрже упутство за синтезу протеина. Улога и-РНК је да то упутство (информацију) за синтезу протеина пренесе до рибозома (место синтезе протеина). Синтеза и-РНК почиње онда када је ћелији потребан неки протеин, а када се обезбеди довољна количина протеина и-РНК бива разграђена.

Транспортна РНК настаје преписивањем мале групе специфичних гена. Транспортна РНК има двоструку улогу: преводи упутство за синтезу протеина са и-РНК у редослед аминокиселина у протеину и преноси аминокиселине до рибозома.

Рибозомска РНК настаје преписивањем гена који се заједнички називају »организатори једарцета«. Њена улога је да заједно са одређеним протеинима награди рибозоме.

Ћелије једног организма се међусобно разликују по и-РНК и т-РНК које садрже док су р-РНК и ДНК у свим ћелијама једног организма исте.

11


Генетички код

Генетички код је језик за преношење генетичке поруке од ДНК (гена) до протеина и садржана је у редоследу база на ланцу ДНК. Целокупан генетички код састоји се у једноставном комбиновању 4 типа нуклеотида ДНК: А, Г, Ц и Т. Његова је јединица низ од три нуклеотида (триплет) ДНК и он се у целини комплементарно преноси, транцкрипцијом, на информациону РНК (која уместо тимина има урацил). Триплет на информационој РНК је кодон који представља шифру за једну аминокиселину, док низ кодона шифрује полипептидни ланац. Улогу преводиоца значења кодона играју транспортне РНК својим антикодонима, у процесу транслације, које истовремно и преносе аминокиселине до места синтезе протеина, до рибозома.

Скоро сва жива бића користе исти генетски код, односно генетску шифру(зарад једноставности, у тексту ће се користити термин генетски код), која се назива Стандардни генетски код, мада мали број организама користе веома мале варијације стандардног кода.

Свеукупна генетска информација једног организма се зове геном, и сва генетска информација се налази на молекулу ДНК. Сваки функционални регион молекула ДНК се назива ген. Сваки ген се путем процеса транцкрипције, транскриптује у одговарајући молекул РНК, који се процесом транслације, преводи у азбуку којом се одређују амино киселине. Процес транслације је могућ услед постојања рибозома (као регион синтезе протеина), ензима и групе РНК молекула.

Секвенца гена која се налази на ДНК и РНК молекулима се састоји од по тро нуклеодита и та тројка чини јединицу коју називамо кодон. Сваки кодон кодира једну амино киселину. Сваки нуклеотид се састоји од подгрупе коју чине фосфатна група, шећер деоксирибозе и једна од четири могуће азотне базе, које су груписане у по две категорије пурини и пиримидини. Пуринске базе Аденин (А) и Гуанин (G) су веће и састоје се од по два ароматична прстена. Пиримидинске базе Цитозин (C) и Тимин (Т) су мање и састоје се од једног ароматичног престна. Код молекула РНК Тимин је замењен Урацилом (U) и шећер деоксирибозе је замењен шећером рибозе.

Како се кодон састоји од по три нуклеотида, а постоје четири различите базе, те су могуће 64 различите комбинације 43 = 64. На пример, РНК секвенца 5'- UUUAAACCC -3', се састоји од кодона UUU, AAA и CCC, и сваки од три кодона кодира по три амино киселине. Тако да ова РНК секвенца представља секвенцу протеина, који је дугачак три амино коселине.

12


Стандардни генетски код

Ова табела показује 64 кодона и одговарајуће амино киселине које ови кодони кодирају. Друга базаU C A GПрвабаза U

UUU (Phe/F) ФенилаланинUUC (Phe/F) ФенилаланинUUA (Leu/L) ЛеуцинUUG (Leu/L) Леуцин, Start

UCU (Ser/S) СеринUCC (Ser/S) СеринUCA (Ser/S) СеринUCG (Ser/S) Серин

UAU (Tyr/Y) ТирозинUAC (Tyr/Y) ТирозинUAA Ochre (Stop)UAG Amber (Stop)

UGU (Cys/C) ЦистеинUGC (Cys/C) ЦистеинUGA Opal (Stop)UGG (Trp/W) ТриптофанC

CUU (Leu/L) ЛеуцинCUC (Leu/L) ЛеуцинCUA (Leu/L) ЛеуцинCUG (Leu/L) Леуцин, Start

CCU (Pro/P) ПролинCCC (Pro/P) ПролинCCA (Pro/P) ПролинCCG (Pro/P) Пролин

CAU (His/H) ХистидинCAC (His/H) ХистидинCAA (Gln/Q) Глутамин

13


CAG (Gln/Q) Глутамин

CGU (Arg/R) АргининCGC (Arg/R) АргининCGA (Arg/R) АргининCGG (Arg/R) АргининA

AUU (Ile/I) Изолеуцин, Start2AUC (Ile/I) ИзолеуцинAUA (Ile/I) ИзолеуцинAUG (Met/M) Метионин, Start1

ACU (Thr/T) ТреонинACC (Thr/T) ТреонинACA (Thr/T) ТреонинACG (Thr/T) Треонин

AAU (Asn/N) АспарагинAAC (Asn/N) АспарагинAAA (Lys/K) ЛизинAAG (Lys/K) Лизин

AGU (Ser/S) СеринAGC (Ser/S) СеринAGA (Arg/R) АргининAGG (Arg/R) АргининG

GUU (Val/V) ВалинGUC (Val/V) ВалинGUA (Val/V) ВалинGUG (Val/V) Валин, Start2

GCU (Ala/A) АланинGCC (Ala/A) АланинGCA (Ala/A) АланинGCG (Ala/A) Аланин

GAU (Asp/D) Аспаратинска киселинаGAC (Asp/D) Аспаратинска киселинаGAA (Glu/E) Глутаминска киселинаGAG (Glu/E) Глутаминска киселина

14


GGU (Gly/G) ГлицинGGC (Gly/G) ГлицинGGA (Gly/G) ГлицинGGG (Gly/G) Глицин

1 Кодон AUG кодира за амино киселину Метионин и у исто време кодира регион на и-РНК молекулу где почиње транслација.2Ово је старт кодон само код прокариота.

Транскрипција

Транскрипција је синтеза РНК молекула као копије дела једног ланца ДНК (гена) коју катализује ензим РНК полимераза, другим речима транскрипција је ништа више до претварања генетске информације из облика ДНК у РНК. Врши се у једру еукариота, односно нуклеоиду прокариота у 5'→ 3' правцу. Да би се извршила транскрипција (преписивање) ланци ДНК морају да се из спирално увијених пребаце у линеарни облик (у овом кораку ДНК молекул изгледа као мердевине), и затим се ланци раздвоје, где један од њих служи као калуп према коме се ређају комплементарни нуклеотиди РНК: наспрам аденина ДНК поставља се урацил РНК, а наспрам гуанина ДНК – цитозин РНК:

* А → U * G → C

Транскрипција има механизме који током саме транцкрипције као и након процеса иду дуж новонасталог ланца и поправљају грешке, али су механизми мање ефективни од механизама нађених при репликацији ДНК молекула, тако да процес транскрипције име виши степен варијација и грешака.

Транскрипција ДНК је кључни корак у преношењу информације од ДНК до протеина. Синтеза и-РНК почиње када је ћелији потребан одређени протеин.

За активност РНК-полимеразе, слично као и за ДНК-полимеразу, потребно је присуство ДНК ланца-матрице. Међутим, за разлику од ДНК-полимеразе, за РНК полимеразе нису потребни прајмери. Новосинтетисани ланац РНК је увек и по смеру и по редоследу нуклеотида идентичан оном ланцу који није преписиван (само што уместо тимина садржи урацил):

* ДНК молекул: 3' АААТТCCCG 5' * РНК молекул: 5' UUUААGGGC 3'

15


Транслација

Транслација је други корак у процесу синтезе протеина, који је уједно део своукупног процеса испољавање гена. У транслацији информативна РНК (и-РНК) се декодира како би се произвео специфичан полипептид на основу правила које спецификује генетски код. Транслацији увек мора да претходи транскрипција. Слично транскрипцији, транслација се одвија у три фазе:

* иницијација * елонгација * терминација

Својство неких антибиотика, уједно и њихова моћ, је да утичу на процес транслације тако што је или ометају, или потпуно терминују. Антибиотици који делују на овом принципу су анисомицин, циклохексимид, хлорамфеникол и тетрациклин.

Основни механизам

Информативна РНК (и-РНК) је молекул који носи поруку, односно генетски код, то јест генетску шифру из хромозома до рибозома. Генетска информација коју и-РНК носи се помоћу водоничних веза идентификује и везује за тачно одређене транспортне РНК, односно т-РНК, које преносе специфичне амино киселине на растући полинуклеотидни ланац на место рибозомалне синтезе протеина. Генетска информација се преноси у групи од три јединице, односно три нуклеотида. Свака од ових три нуклеотидних група представља једну амино киселину. Свака од три и-РНК нуклеотида се зове кодон, и њихова три комплементарна т-РНК нуклеотида се називају анти кодон. Аминоацил т-РНК је ензим који управља везивање тачно одређених амино киселина на одговарајућу т-РНК како би се формирала аминоацил-т-РНК.

Прокариотска транслација

Прокариоте немају нуклеус, тако да се транслација иРНК врњи у исто време док траје и транскрипција. Због ове истовремене активности, каже се да је транслација полирибозомална, јер је више од један рибозом активан.

Иницијација

Иницијација транслације захтева присуство мале рибозомалне јединице која се везује за старт кодон на и-РНК, што заузврат индикује где и-РНК почиње да кодира одређени протеин. У 98 % случајева овај кодон је АУГ, али алтернативни старт кодони код прокариота су чести. На пример, код бактерија старт кодон је модификована амино киселина N-формил метионин, скр. f-Мет. Код f-Мет, амино група је блокирана од стране формил групе како би се створио амид, тако да ова амино група не може да формира пептидну везу. Ово не представља проблем, јер се f-Мет налази на терминалном крају протеина. Код прокариота

16


везивање мале рибозомалне јединице на тачно место на иРНК је могуће захваљујући постојању секвенце, познатој као Шајн-Далгарно секвенца и налази се између -8 и -13 региону РНК молекула.

Елонгација

Велике 50S подгрупе субјединице формирају комплекс са мањим 30S подгрупама, и елонгација започиње. Новоактивирана транспортна РНК (т-РНК) улази на А регион рибозома и на основу комплементарности база се везује са и-РНК. Ензим пептидил трансфераза формира пептидну везу између суседних амино киселина.

Терминација

Процес елонгације траје све док рибозом не наиђе на један од три могућа стоп кодона, када се транслација терминује. Када рибозом наиђе на стоп кодон, синтеза полипетидног ланца се зауставња, и фактори који имитирају т-РНК улазе на А регион, стопирају синтезу полипетидног ланза и испуштају протеин у цитоплазму.

Еукариотска транслација

Код еукариота, транскрипција се одвија у нуклеусу, затим и-РНК се премешта у цитоплазму како би се транслација започела. и-РНК се сече са 5'капом и 3' поли-А-репом и онда транспортује. Иницијација је описана, док су елонгација и терминација сличне онима код прокариотепрокариота.

Молекулске основе односа гена, протеина и фенотипских особина

Ген је физичка и функционална јединица наслеђивања, која преноси наследну поруку из генерације у генерацију, а чини га целовит део ДНК потребан за синтезу једног протеина или једног молекула РНК. Гени су нанизани дуж

хромозома. Ген за одређено својство увек се налази на истом месту на хромозому које се назива генски локус.

Гени су линеарно распоређени делови хромозомске ДНК. Њихова величина (број нуклеотида ДНК) и и распоред на хромозомима су стого одређени. Грађа гена је уствари грађа саме

ДНК и огледа се у тачно одређеном редоследу нуклеотида (А, Т, Ц и Г). Промена тог редоследа, мањак или вишак нуклеотида резултира у промени функције гена и назива се генска мутација

(тачкаста мутација).

Према функцији коју обављају, гене можемо поделити на:

* структурне и * регулаторне.

Структурни гени су:

* гени који носе шифру за протеин (преписују се на и-РНК) и

17

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0:DNA_chemical_structure.svg


* гени који се само преписују у РНК (т-РНК, р-РНК).

Регулаторни гени се не преписују већ се за њих везују молекули који регулишу одређене процесе у организму. Знања о регулаторним генима су још увек недовољна. Припадају им гени који:

* учествују у репликацији, * учествују у кретању хромозома у деоби, * контролишу кросинг-овер и теломере које доприносе стабилности хромозома.

Теломере представљају неку врсту заштитне капе хромозома јер не реагују са крајевима других хромозома и нису осетљиве на дејство егзонуклеаза.

Амерички микробиолог и генетичар Бенцер је у периоду од 1955-1963 године спровео сложене експерименте с односом Т4 вируса и бактерије Escherichia coli и дошао је до закључка да постоје и мањи делови од гена и то су: 1. Рекон- структура хромозома тј. његова рекомбинација 2. Цистрон- јединица физиолошке функције 3. Мутон-основна јединица мутације

Према њиховој активности и стварању,ензими се деле на: -адаптивне, који настају само у присуству одговарајућег супстрата на којег они делују -конститутивне, који су стално активни независно од састава хранљиве средине

Негативна контрола је када у медијуму где нема лактозе живи e.coli, ген за репресор након транскрипције и транслације ствара репресорни протеин који се везује за оператор чиме је промотор блокиран и структурни гени не врше транскрипцију и транслацију ензима.

Позитивна контрола је када у медијуму где живи e.coli има лактозе, ген ѕа репресор након транскрипције и транслације ствара репресорни протеин који ће се сада везати са лактозом.Тиме је онемогућено да се репресорни протеин везује за оператор па је промотор слободан, долази РНК полимераза а затим иде до стрктурних гена (z,y,a).То су тзв.адаптивни ензими који ће омогућити разградњу лактозе тј.бактерија је користи за своје метаболичке процесе.

18

Мозаичка грађа еукариотских гена

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0:Gene.png


Биохемијска основа развића и диференцијације организма

Сви вишећелијски организми воде порекло од једноћелијског зигота који се дели митотичким деобама,па у свим ћелијама постоји иста наследна основа,тј.ДНК.Биохемијске анализе ћелија различитих ткива истог организма као и различитих ступњева развића показују да међу њима нема разлике у структури ДНК и рРНК,а да варирања постоје у количини и саставу иРНК и протеина.Ово указује да се у току онтогенетског развића активирају различити гени у различита времена и на различитим местима,а што је тзв.епигенетско деловање наследних фактора.Тим је омогућена синтеза специфичног протеина за сваки тип ћелије што одговара функцији дате ћелије.

Епигенезом се током животног циклуса остварује програм зацртан у генетичкој структури зигота.На активност гена утичу и делови средине као што су температура,влажност,храна,биотички фактори,киселост средине.

Генотип је наследна основа организма,тј.скуп свих гена у ћелији једног организма.Фенотип је скуп свих особина које карактеришу један организам тј.фенотип ==

генотип + фактори спољашње средине.Програм развића одређеног фенотипа остварује се не само под контролом специфичне комбинације гена тј.генотипа већ и под сталним утицајем бројних фактора средине.

На тзв.квантитативне (метричке) особине као што је величина тела,брзина развића или облик неког дела тела значајно утичу фактори средине.

На тзв.квалитативне особине као што је боја очију,број зуба, број пршљена не утичу промене у околини.

19


Биотехнологија и генетичко инжењерство

Биотехнологија представља примену биолошких активности за добијање неког производа или остваривање неког процеса. Она се дели на:

* традиционалну биотехнологију која обухвата оплемењивање биљака и домаћих животиња, коришћење микороорганизама за производњу хране и пића и др, прераду отпадних вода, производњу биогаса и сл. * савремену биотехнологију у коју спадају: o генетски инжењеринг o клонирање o инжињеринг ткива

Основно питање везано за савремену биотехнологију јесте како рационално искористити предности које она пружа, а да се при томе спрече потенцијалне негативне последице по човека и његову животну средину.

Генетички инжењеринг (технологија рекомбиноване ДНК) обухвата методе вештачког образовања нових комбинација наследног материјала. Чињеница да је генетички код универзалан омогућује да се генетички материјал једног организма преноси у други. Тиме се добија организам са другачијом комбинацијом гена, чија се ДНК назива хибридна (рекомбинована) и у природи се нормално никада не налази.У зависности од тога који се део генетичког материјала преноси разликује се:

* генски; * хромозомски; * геномски инжењеринг

У првом се манипулише генима, у другом хромозомима, а у трећем целим гарнитурама хромозома.

Техника ове методе се може објаснити на примеру бактеријске синтезе хуманог (људског) инсулина. Суштина ове технике је да се хумани ген за инсулин угради у плазмид бактеријске ћелије. Бактерије ће затим по упутству тог гена производити хумани инсулин.Поступак је следећи: * исецање жељеног гена из хумане ДНК уз помоћ ензима који ће пресећи ДНК на тачно одређеним местима; ензими који ово омогућују су рестрикционе ендонуклеазе (маказе) * пресецање плазмида истом рестрикционом ендонуклеазом којом је исечена хумана ДНК * после дејства р. ендонуклеаза крајеви исечака постају лепљиви – пошто су једноланчани теже да хибридизују са себи комплементарним ланцима; * хумани ген односно његови једноланчани лепљиви крајеви хибридизују са крајевима исеченог плазмида; * лигаза (лепак) спаја хибридизоване молекуле при чему постаје рекомбинована (хибридна) ДНК; * умножавањем бактерија и плазмид се у њима репликује , тако да се у свакој бактерији добије неколико стотина плазмида; * бактерија сада може да синтетише хумани инсулин.

20


ЗакључакКористећи се савременом биотехнолигијом, која је продукт молекуларне биологије, у

блиској будућности може се остварити реалан и видљив напредак у следећим областима:1. добијању сировина за хемијску и остале индустрије из других,обновљивих извора

биомасе.2. добијању алтернативних форми енергије коришћењем биомасе и одпадака3. Унапређењу пољопривредне производње стварање већих количина сточне хране,

добијањем вештачких ђубрива, као и активних и мање опасних пестицида.4. Заштити човекове животне околине разградњом полутаната и пречишћавањем

одпадних вода.5. Здравственој заштити (прои зводњом нових антибиотика, вакцина, лекова и

дијагностичких агенаса)

Од биотехнологије и генетичког инжењерства очекује се да битно повећају и појефтине производњу хране стварањем тзв. једноћелијских протеина, затим повећањем ефикасности фотосинтезте биљака уграђивањем гена за фиксацију азота код гајених биљака или код симбионтских микроорганизама. Ово би и допринело и заштити човекове околине. Посебан значај ови поступци имају у смерници свог становишта јер се помоћу њих могу произвести дррагоцени хормони или друге материје неопходне за човеково здравље.

Генетичко инжењерство је поступак којим се утврђује и фина структура одговарајућих делова ДНК, што омогућује дијагнозу неких болести и пре него што се оне манифестују.Оно пружа неслућене могућности комбиновања гена и жељених особина, уз стварање нових генотипа, који до сада нису постојали у природи.

21


Литература

1) Маринковић др. Драгослав, Ћурчић др. Божидар, Биологија за 3. или 4. разред гимназије, Завод за уџбенике и наставна средства

2) www.google .com (Молекулске основе биолошких процеса)

22


Коментар:

Комисија:

Председник: ______________

Испитивач: ______________

Члан: ______________

Оцена рада __________ (__)Оцена на одбрани __________ (__)

Закључна__________ (__)

Датум одбране:______________

23

Documents

4c29e0d4b0f04-Maturski Rad Iz Biologije