Replikacija, transkripcija, translacija

STRUKTURA DNA I RNA

ORGANIZACIJA GENOMA U EUKARIOTA

REPLIKACIJA DNA U PROKARIOTA I EUKARIOTA

TRANSKRIPCIJA GENA U PROKARIOTA I EUKARIOTA

Prof.dr.sc. Reno Hrašćan

TRANSKRIPCIJA GENA U PROKARIOTA I EUKARIOTA

Molekula DNA

� molekula DNA sastoji se od dva antiparalelna polinukleotid na lanca

� okosnicu svakog lanca grade deoksiriboze povezane fosfodi esterskim vezama

� na svaku deoksiribozu vezana je po jedna od četiri nukleotidne baze (adenin,

timin, gvanin, citozin)

� purinska baza adenin se s dvije vodikove veze povezuje s piri midinskom

bazom timin komplementarnog lanca

� purinska baza gvanin se s tri vodikove veze povezuje s pirimidinskom bazom


� purinska baza gvanin se s tri vodikove veze povezuje s pirimidinskom bazom

citozin komplementarnog lanca

Struktura DNA


Dvostruka uzvojnica DNA


DNA eukariota

� kromatin - DNA i strukturni proteini� heterokromatin - kondenzirana, neaktivna DNA (A)� eukromatin - nekondenzirana, aktivna DNA (B)


Nukleosom

� nukleosom je osnovna jedinica organizacije eukariotskog g enoma

� sastoji se od srži nukleosoma koju gradi osam histonskih pro teina (po dva od

svakog; H2A, H2B, H3, H4) i molekule DNA (oko 200 nukleotida) koja je dijelom

omotana oko srži nukleosoma (146 nukleotida), a dijelom pov ezuje slijede ći

nukleosom u nizu


Struktura nukleosoma


Struktura nukleosoma


Kromatinsko vlakno

� kromatinsko vlakno slijede ći je stupanj spiralizacije eukariotskog genoma

� histonski proteini H1 omogu ćuju me đusobno približavanje nukleosoma i

njihovu spiralizaciju

� jedan puni okret od šest nukleosma oko osi spiralizacije naz iva se solenoid

� kromatinsko vlakno dalje se spiralizira u oblik relaksiran og i zatim

kondenziranog kromosoma


Spiralizacija DNA eukariota


Spiralizacija DNA eukariota


� u čovjeka duljina genomske DNA u izduženom obliku iznosi 2 m, a promjer stanične jezgre je 6 µm

� duljina jednog kromosoma je 10 000 puta manja od duljine iste DNA u izduženom obliku

Replikacija DNA

� oba polinukleotidna lanca služe kao kalup za sintezu svog ko mplementarnog

lanaca (semikonzervativna replikacija)

� svaki slijede ći nukleotid veže se preko svog fosfata na 5’ C-atomu deoksiri boze

na 3’ C-atom deoksiriboze prethodno ugra đenog nukleotida

� sinteza novog polinukleotidnog lanca odvija se u smjeru 5’- 3’ jer je jedino na taj

način omogu ćeno cijepanje visokoenergetske fosfoanhidridne veze i

osloba đanje energije potrebne za polimerizaciju lanca

� odmatanjem uzvojnice DNA i cijepanjem vodikovih veza nasta je struktura koja

se naziva replikacijska vilica


� jedan lanac DNA sintetizira se kontinuirano jer je smjer sin teze istovjetan

smjeru odmatanja uzvojnice (vode ći lanac)

� drugi lanac sintetizira se nekontinuirano jer je smjer sint eze suprotan smjeru

odmatanja uzvojnice (tromi lanac)

Replikacija DNA


Sinteza novog lanca DNA


Replikacija DNA u eukariota

� 1. odmatanje uzvojnice DNA i cijepanje vodikovih veza (DNA h elikaza)

� 2. sinteza novog lanca DNA u smjeru 5’-3’ (DNA polimeraza)

� 2.1. sinteza vode ćeg lanca DNA (DNA polimeraza δ)� 2.1. sinteza vode ćeg lanca DNA (DNA polimeraza δ)

� 2.2. sinteza tromog lanca DNA (DNA polimeraza α i DNA polimeraza δ)

� 2.2.1. sinteza RNA po četnice (DNA primaza)

� 2.2.2. početak sinteze novog odsje čka DNA od mjesta nove RNA po četnice

(DNA polimeraza α)

� 2.2.3. nastavak sinteze novog odsje čka DNA do prethodne RNA po četnice,

odnosno do prethodnog odsje čka DNA (DNA polimeraza δ) nakon što je


odnosno do prethodnog odsje čka DNA (DNA polimeraza δ) nakon što je

razgrađena RNA po četnica (RNaza)

� 2.2.4. spajanje odsje čaka DNA (DNA ligaza)

Replikacijska vilica DNA u eukariota

Doc.dr.sc. Reno Hrašćan

Replikacijska vilica DNA u eukariota


Pokretanje replikacije DNA


Pokretanje replikacije DNA


Replikacija DNA u prokariota

� jedno mjesto početka replikacije DNA


Replikacija DNA u eukariota

� više mjesta početka replikacije DNA� različite regije kromosoma repliciraju se u različito vrijeme tijekom S faze staničnog ciklusa


Prijenos geneti čke informacije od DNA do proteina(Centralna dogma molekularne biologije)


Struktura RNA

Prof.dr.sc. Reno Hrašćan Prof.dr.sc. Reno Hrašćan


Transkripcija gena

� prepisivanje gena kontrolirano je regulatornim proteinim a koji su specifi čni za

svaki gen i vežu se na regulatorne sekvence DNA u kontrolnoj r egiji gena

� u kontrolnoj regiji gena nalazi se i promotorska sekvenca (promotor) ; na� u kontrolnoj regiji gena nalazi se i promotorska sekvenca (promotor) ; na

promotorsku sekvencu veže se RNA polimeraza

� regulatorni proteini mogu poticati prepisivanje nekog gen a pa se onda nazivaju

aktivatori ili ko čiti prepisivanje pa je onda rije č o represorima; vezanje

aktivatorskih proteina aktivira odre đene transkripcijske faktore koji se udružuju

s RNA polimerazom; na taj na čin potaknuto je kretanje RNA polimeraze duž

lanca DNA, odnosno prepisivanje određenog gena


lanca DNA, odnosno prepisivanje određenog gena

� u eukaroita, vezanje aktivatora dovodi do promjene struktu re kromatina; da bi

se odre đeni gen mogao prepisati, molekula DNA se mora odmotati od

histonskih proteina kako bi se transkripcijski faktori i RN A polimeraza mogli

vezati na DNA

Kontrolna regija transkripcije gena eukariota


Orijentacija RNA polimeraze i smjer transkripcije

� o orijentaciji (usmjerenju) promotorske

sekvence ovisi koji lanac DNA će se

prepisivati, odnosno u kojem smjeru će

se odvijati transkripcija genase odvijati transkripcija gena


Procesiranje primarnog mRNA transkripta

� za razliku od prokariota, u eukariotskom genu sekvenca DNA k oja nosi uputu

za sintezu proteina isprekidana je sekvencama koje ne nose u putu za protein;

isprekidane kodiraju će sekvence nazivaju se eksoni, a nekodiraju će introniisprekidane kodiraju će sekvence nazivaju se eksoni, a nekodiraju će introni

� RNA polimeraza II prepiše eksone i introne pa se neposredni p rodukt naziva

primarni mRNA transkript

� iz primarnog mRNA transkripta izrezuju se i uklanjaju intro nske sekvence, a

isprekidane eksonske sekvence povezuju u kontinuiranu kod iraju ću sekvencu

� za obradu primarnog mRNA transkripta zaduženi su mali jezgr ini

ribonukleoproteini koji se vežu na granicu eksona i introna te kataliziraju


ribonukleoproteini koji se vežu na granicu eksona i introna te kataliziraju

reakciju izrezivanja i preslagivanja primarnog mRNA trans kripta (RNA splicing)

� na 5’- i 3’-kraju mRNA transkripta vežu se zaštitni proteini koji spjre čavaju

razgradnju zrele mRNA u jezgri i citoplazmi dok se na ribosom ima ne izvrši

sinteza proteina

Izrezivanje i preslagivanje primarnog mRNA transkript a

Struktura mRNA u prokariota i eukariota

� jedinica transkripcije prokariota - uputa za više od jednog proteina (policistronska mRNA) � jedinica transkripcije eukariota - uputa samo za jedan protein (monocistronska mRNA)


STRUKTURA RIBOSOMA

SINTEZA PROTEINA

MODIFIKACIJA PROTEINA


Razlika u transkripciji i translaciji kod prokariota i eukariota


Ribosomi

� zašti ćena zrela mRNA napušta jezgru i u citoplazmi se udružuje s rib osomima

zrnate endoplazmatske mrežice gdje se odvija sinteza prote ina

� ribosom je ribonukleoprotein, gra đen od ribosomske RNA i proteina

� sastavljen je od dvije podjedinice, ve će i manje, čija se veli čina izražava

mjerom sedimentacije pri ultracentrifugiranju (S)

� u jezgrici dolazi do udruživanja ribosomskih RNA i ribosoms kih proteina u

prekursorski ribonukleoprotein iz kojeg nastaju dvije podjedinice koje svaka


prekursorski ribonukleoprotein iz kojeg nastaju dvije podjedinice koje svaka

zasebno odlaze u citoplazmu gdje se udružuju u ribosom

Struktura ribosoma prokariota i eukariota


Sinteza proteina

� genska šifra ili kod je redosljed nukleotida DNA koji nosi up utu za redosljed

aminokiselina u proteinu (redosljed od tri nukleotida nosi uputu za jednu

aminokiselinu) ; kodon je redosljed nukleotida mRNA koji prenosi uputu zaaminokiselinu) ; kodon je redosljed nukleotida mRNA koji prenosi uputu za

redosljed aminokiselina u proteinu; kod je degeneriran jer , osim za dvije

aminokiseline, više od jedne kombinacije tri nukleotida no si uputu za jednu

aminokiselinu (u pravilu je promjenljiv tre ći nukleotid)

� transportna RNA (tRNA) je dijelom jednolan čana, a dijelom dvolan čana

molekula; specifi čna je za odre đenu aminokiselinu jer redosljed nukleotida

antikodona odgovara vezanoj aminokiselini ; uloga tRNA je u donošenju


antikodona odgovara vezanoj aminokiselini ; uloga tRNA je u donošenju

odgovaraju će aminokiseline pri sintezi polipeptida; zbog degeneriran osti šifre

više tRNA prenosi jednu aminokiselinu

Genska šifra


Struktura transportne RNA


Sinteza proteina

� 1. aktivacija aminokiselina – aminoacil tRNA sintetaza kat alizira vezanje

određene aminokiseline za specifi čnu tRNAodređene aminokiseline za specifi čnu tRNA

� 2. formiranje peptidne veze – peptidil transferaza kataliz ira reakciju povezivanja

amino grupe slijede će aminokiseline s karboksilnom grupom prethodne

aminokiseline; na taj na čin polipeptidni lanac raste od amino kraja prema

karboksilnom kraju što odgovara 5’-3’ redosljedu nukleoti da mRNA

� na manju podjedinicu ribosoma vezana je mRNA, a na ve ćoj se odvija sinteza

polipeptida


polipeptida

� sinteza svakog polipeptidnog lanca zapo činje s aminokiselinom metionin (Met)

Aktivacija aminokiselina


Ugradnja aminokiselina u polipeptidni lanac


Sinteza proteina

� veća podjedinica ribosoma posjeduje tri vezna mjesta za tRNA (A , P, E)

� na A-mjesto veže se tRNA s aminokiselinom koja se treba ugrad iti u polipeptid

� na P-mjestu već je vezana tRNA s prethodno ugrađenom aminokiselinom, a� na P-mjestu već je vezana tRNA s prethodno ugrađenom aminokiselinom, a

preko nje s preostalim aminokiselinama polipeptidnog lanc a

� na P-mjestu formira se peptidna veza izme đu prethodno ugra đene

aminokiseline i aminokiseline koja se treba ugraditi, prit om dolazi do

prebacivanja svih do tada ugra đenih aminokiselina na zadnje vezanu tRNA i do

pomaka prvo ve će, a potom i manje podjedinice ribosoma za tri mjesta udesno

kako bi se mogla dalje očitati slijede ća tri kodona ; zbog pomaka veće


kako bi se mogla dalje očitati slijede ća tri kodona ; zbog pomaka veće

podjedinice ribosoma, tRNA na kojoj je sada vezan polipepti d nalazi se na P-

mjestu, a slobodna tRNA na E-mjestu s kojeg napušta podjedin icu; A-mjesto je

slobodno za vezanje slijede će tRNA s odre đenom aminokiselinom i sinteza

polipeptidnog lanca se nastavlja

Vezna mjesta na ribosomu


Sinteza polipeptidnog lanca


Sinteza polipeptidnog lanca


Modifikacije proteina

� sintetizirani polipeptidni lanac na ribosomima premješta se kroz membranu u

lumen zrnate endoplazmatske mrežice pri čemu dolazi do N-glikozilacije

polipeptida; N-glikozilacije su neophodne za nabiranje po lipeptidnog lanca

� konačni rezultat svih modifikacija na polipeptidu je zauzimanje konačne

konformacije proteina


Nabiranje polipeptidnog lanca tijekom njegove sinte ze (formiranje sekundarne i tercijarne strukture prote ina)


Promjene na polipeptidnom lancu nakon završetka njegove sinteze

� građevni proteini� metabolički proteini � transport proteina u druge � transport proteina u druge

dijelove stanice ili izvan stanice


Sumarna slika sinteze proteina u eukariota


� Slike su preuzete iz knjige:

Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P

Molecular Biology of the Cell

Garland Science/Taylor & Francis Group, Fourth Edition

New York, USA, 2002


Documents

Replikacija, transkripcija, translacija