biohemija 7 genetska-informacija
TRANSCRIPT
Biohemija nukleinskih kiselina
Genetska informacija
DNK je nosilac naslednih informacija u ćeliji, dok RNK učestvuju u prenošenju tih informacija i njihovom prevođenju u proteine.
RNK je nolisac naslednih informacija kod nekih virusa.
deoksiribonukleinske kiseline (DNK) ribonukleinske kiseline (RNK)
Nukleozid = pentoza + azotna baza
Nukleotid = pentoza + azotna baza + ostatak fosforne kis.
Nukleotid- monomerna jedinica nukleinskih kiselina
estarska veza
N-glikozidna veza
Nukleinske kiseline su polimeri nukleotida
•nukleotidu su izgradjeni od –baze (purinske ili pirimidinske)–secera (riboza ili deoksiriboza)–fosfata
•nukleozid cini baza i secer–veza N-glikozidna (azot baze se vezuje za anomerni C atom secera)
•C atomi secera su obelezeni sa ‘
BAZA NUKLEOZID NUKLEOTID NUKL. KIS.PURINSKEadenin adenozin adenilat RNK
deoksiadenozin deoksiadenilat DNKguanin guanozin guanilat RNK
deoksiguanozin deoksiguanilat DNKPIRIMIDINSKEcitotozin citidin citidilat RNK
deoksicitidin deoksicitidilat DNKtimin deoksitimidin deoksitimidilat DNKuracil uridin uridilat RNK
nukleotid = nukleozidfosfat
Nomenklatura nukleotida i nukleinskih kiselina
• fosfodiestarska veza povezuje nukleotide u nukleinske kiseline
• na svakom polinukleotidnom nizu razlikujemo 5‘ i 3‘ kraj
Nukleinske kiseline su polimeri nukleotida
Primarna struktura nukleinskih kiselina – redosled nukleotida
• Genetska informacija je uskladištena u primarnoj strukturi nukleinske kiseline
• Gen = odredjena sekvenca DNK
-2 antiparalelna lanca formiraju dvostruki heliks formiranjem vodoničnih veza između komplementarnih baza
- 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 vezeA-T: 2 vodonične veze
B-DNK (Watson-Crick struktura)-desna zavojnica, precnik heliksa 2.4 nm, 10.4 bp po zavojnici, jedna zavojnica 3.4 nmA-DNK – desna zavojnica, precnik heliksa 2.6 nm, 11 bp po zavojnici, jedna zavojnica 2.5 nmZ-DNK – leva zavojnica, precnik heliksa 1.8 nm, 12 bp po zavojnici, jedna zavojnica 4.5 nm
DNK je fleksibilan molekul, moze imati razlicite konformacione forme u zavisnosti 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
Solenoidna struktura hromozoma
Solenoidna struktura – sledeći nivo pakovanja
• učestvuje histon H1
solenoidna strukturanukleozomi
Dvolančana zavojnica DNK
Nukleozomi
Nukleozomski paketi
Petlje
Trake na hromozomima
Metafazni hromozom
–DNK se prepisuje u RNK,a RNK se prevodi u protein
Centralna dogma molekularne biologije
Replikacija (replika=kopija)
• Proces dupliranje molekula DNK pri kome od jednog nastaju dva potpuno identična molekula DNK.
Semikonzervativan proces
Semidiskontinuiran proces
roditeljski molekul
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 lanca DNK – započinje je primaza (RNK polimeraza)
• DNK-polimeraza se vezuje za dezoksinukleozidtrifosfate
• 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 oslobađa (dalje u 2Pi), obezbeđuje 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 ugrađuje 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’
sinteza Okazaki fragmenata i isecanje
prajmera iz lanca koji zaostaje
uključena u procese reparacije
sinteza vodećeg lanca
Bakterijske DNK polimeraze
1. DNK helikaze (mašine na ATP pogon)-omogućavaju raskidanje H-veza i otvaranje dvolančane zavojnice
2. SSB proteini (single-stranded DNA 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 obezbeđuje 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 i ε –reparacija oštećenja DNK
α i δ –replikacija hromozomske DNK
DNK polimeraza α-sintezu Okazakijevih fragmenatDNK polimeraza δ –sinteza vodećeg lanca
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 transkripcijesinteza 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 nukleozidtrifosfate ATP, GTP, CTP i UTP
• po principu komplementarnosti sa deoksinukleotidima u DNK ugrađuje komplementarne nukleozidmonofosfate
• 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 (“sense” ili smisleni lanac) lanac RNK je i po smeru i po redosledu nukleotida identičan lancu DNK koji nije prepisan osim što umesto T ugradjuje U (“nonsense” ili besmisleni lanac )
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 obrađuje, 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 kodiran za jedan polipeptidni lanac•Kod eukariota-1gen-1RNK-1 protein-MONOCISTRONSKA RNK
TRANSKRIPCIJA KOD PROKARIOTA
• Istovremeno sa translacijom
• iRNK - kratkoživeće
• RNK polimeraza E.coli•Holoenzim: jezgro (, α΄( ω), , ’) i
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 m(i) RNK i neke snRNK
nukleus tRNK , 5S rRNK i neke snRNK
Promotori za RNK polimerazu II cesto sadrze tata box
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
(vrši se u splajsozomima)
Posttranskripciona obradaiRNK kod eukariota
Proces prevodjenja sekvence nukleotida mRNK u sekvencu aminokiselina u proteinu.
Translacija – sinteza proteina
Translacija se odvija na ribozomima
Triplet baza na DNK – KOD
Triplet baza na iRNK – KODON (kodon je komplementaran kodu)
Triplet baza na tRNK – ANTIKODON(antikodon je komplementaran kodonu)
=> šifra za jednu aminokiselinu
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 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 onda aktiviraju ili inhibiraju transkripciju datog operona
Primer: 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
Kontrola regulacijom translacijeTranslacija
PROTEINIPROTEINI(ENZIMI)(ENZIMI)
Kontrola proteazama NEAKTIVNI NEAKTIVNI
ENZIMIENZIMIBez modifikacije
FUNKFUNKCCIONALNIIONALNIENZIMIENZIMI
Kovalentna modifikacija
Degradacija
Kontrolaposttranslacionommodifikacijom
AKTIVNIAKTIVNIENZIMIENZIMI
Inhibiija i aktivacija Kontrola
funkcionalnosti enzima
GENdeo 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)
GENOTIPčitav set gena jednog organizma