Postoje dve vrste nukleinskih kiselina. Ribonukleinska kiselina RNK Deoksiribonukleinska kiselina DNK Ove vrste nukleinskih niselina ne samo

da se razlikuju po hemijskom sastavu, već imaju i različite biološke funkcije.

Nukleinske kiseline su makromolekuli, koji se sastoje iz sitnijih jedinica nukleotida, koji su međusobno povezani u polinukleotidni lanac.

Osnovne jedinice građe nukleinskih kiselina su nukleotidi.

U molekulu deoksiribonukleinske kiseline to su DNKnukleotidi, a u molekulu ribonukleinske kiseline RNKnukleotidi.

Osim što ulaze u sastav nukleinskih kiselina, nukleotidi imaju i druge uloge važne za život.

•Regulatori ćelijskog disanja i metabolizma•Prenos i transformacija energije sadržane u fosfatnim vezama ATP/ADP-a i GTP-a•Ulaze u sastav koenzima, kao što su FAD i NAD, značajni za biokatalizu•Signalski molekuli u ćelijskim procesima (cAMP)

U sastav nukleotida ulaze tri osnovne komponente:

•Pentoza – Šećer sa 5 C atoma•Azotna baza•Ostatak fosforne kiseline

Azotna baza

PentozaFosfatni ostatak

U nukleotidima DNK molekula nalaze se molekuli šećera 2-deoksi riboze (dezoksi riboza).

U nukleotidima RNK molekula nalaze se molekuli šećera riboze.

Razlika između ova dva šećera je u tome što je 2-deoksi riboza izgubila atom kiseonika na drugom C atomu.

Šećeri se nalaze u furanoznom obliku.

To su heterociklične organske baze. Azotne baze se dele na purinske i pirimidinske. Vezane su za pentozu N-glikozidnom vezom.

PURINSKE AZOTNE BAZE

•Sastoje se iz jednog šestočlanog i jednog petočlanog prstena.•Adenin (A) i guanin (G)•N-glikozidnu vezu ostvaruju preko N9 atoma.

Adenin (A) Guanin (G) Timin (T)Citozin (C) Uracil (U)

PIRIMIDINSKE AZOTNE BAZE

•Sastoje se iz jednog šestočlanog prstena.•Citozin (C), Timin (T) i Uracil (U)•Timin se nalazi samo u deoksiribonukleotidima, a uracil samo u ribonukleotidima.•N-glikozidnu vezu ostvaruju preko N1 atoma.

Esterifikovan je na primarnu OH grupu u pentozi.

Jedna od najznačajnijih uloga PO4 ostatka je prilikom pakovanja DNK u Hromozome.

Molekul DNK je ogroman i kao takav ne bi mogao da stane u ćeliju, sato se dodatno spiralizuje udružujući se sa proteinima histonima.

Histoni su pozitivno naelektrisani proteini i vezuju se za DNK preko fosfatnog ostatka koji je negativan, na taj način postižu stabilnu strukturu.

Primarna OH grupa pentoze može se esterifikovati pirofosfornom ili trifosfornom kiselinom, pri čemu se dobijaju difosfati i trifosfati nukleozida.

Uslučaju adenozina ovim reakcijama nastaju adenozindifosfat (ADP) i adenozintrifosfat (ATP) jedinjenja koja prdstavljaju glavne rezervoare energije.

Otpuštanjem fostatne grupe energija se

oslobađa, a njemim vezivanjen energija se

skladišti.

Nukleinske kiseline su sačinjene od velikog broja nukleotida, koji su povezani fosfodiestarskim vezama.

Nukleotidi su povezani tako što se forfodiestarska veza uspostavlja preko fosfatne grupe na 5. C atomu u pentozi i hidroksilne grupe na 3. C atomu u pentozi.•Na jednom kraju lanca uvek ostaje slobodna fosfatna grupa, pa je taj kraj označen kao 5' kraj.•Na drugom kraju je slobodna OH grupa sa 3. C atoma, pa je taj kraj označen kao 3' kraj.

DEOKSIRIBONUKLEINSKA KISELINA - DNK

Molekul DNK se sastoji iz dva povezana i spiralno uvijena polinukleotidna lanca*.

Lanci su međusobno povezani preko baza između kojih se formiraju vodonične veze**.

Prilikom povezivanja lanaca strogo se poštuje princip komplementarnosti.

*Samo kod nekih virusa postoji jednolančana DNK, koja je ujedno i njihov nasledni materijal

**Vodonična veza je slaba veza i uspostavlja se između H atoma i nekog od atoma velike elektronegativnosti: N,O ili F

Međusobno su komplementarne purinske baze sa pirimidinskim.

Termodinamički je najstabilnija veza između adenina i timina, koji su povezani sa 2 vodonične veze i guanina i citozina, povezanih sa 3 vodonične veze.

Tako se formiraju A-T i G-C parovi na kojima se zasnivaju svi procesi u kojima učestvuje DNK.

Redosled i broj nukleotida u molekulu DNK predstavlja primarnu strukturu.

Broj mogućih kombinacija nukleotida u polinukleotidnom lancu je 4n, pri čemu je n broj nukleotida u lancu.

Najveći molekul DNK je kod vinske mušice i njegova dužina iznosi 4x1010 bp (baznih parova).

DNK čoveka ima dužinu od 2 x 1010 bp. Ukupna dužina DNK samo jedne ćelije sisara iznosi

2m. Kao takva ne bi mogla da stane u ćeliju i ne bi bila aktivna, pa mora da zauzme sekundarnu strukturu kako bi se dodatno skratila i mora da se združi sa proteinima (protaminima i histonima) kako bi se kondenzovala u hromozom.

Zauzima oblik zavojnice čiji je prečnik celom dužinom 2nm.

Šećeri pentoze i fosfatne grupe čine skelet molekula DNK, a baze su orijentisane prema centralnom delu i njihove ravni su normanle na osu zavojnice. Dodatna stabilnost čitave DNK je u tome što se baze nalaze u keto tautomernom obliku.

Jedan okret (hod) zavojnice ima 10 baznih parova i ima dužinu od 3.4nm.

Pri visokim koncentracijana soli ili u dehidratisanom obliku DNK se javlja u A formi u kojoj je zavojnica takođe desna, ali zbijena, sa 11bp po punom okretu, pri čemu se ravni baza postavljene koso u odnosu na osovinu molekula.

Z formu molekula DNK karakteriše levostrana zavojnica sa cik-cak okosnicom.

Jedan zavoj ima 12bp. Karakteristična za

regione u kojima se smenjuju purinske i pirimidinske baze (CpG nizovi nukleotida)

•Opisani model je ujedno i najčešća forma molekula DNK u prirodi, označena i kao B forma.•Međutim DNK se javlja još u dva oblika:

A A FORMAFORMA Z FORMAZ FORMA

A B Z

Tercijarna struktura ne samo da smanjuje prostor koji zauzima DNK, već je važna i za samo njeno funkcionisanje, (aktivnost DNK).

DNK zauzima tercijarnu strukturu samo kod eukariota i nalazi se u jedru ćelije. Prokarioti nemaju jedro i kod njih se DNK nalazi slobodna u citoplazmi u vidu kružnog molekula, a sadrže i dodatnu, manju DNK plazmid.

Kod eukariota, osim u jedru, DNK je zastupljena i u mitohondrijama ili u plastidima.

Hromatin predstavlja kompleks DNK, proteina i male količine RNK, prisutnih u jedru eukariotske ćelije.

Proteini hromatina se dele na histonske i nehistonske.

Svrstani su u pet grupa: H1, H2A, H2B, H3 i H4.

To su bazni globularni proteini, bogati lizinom i argininom.

Pozitivno su naelektrisani pa se vezuju za DNK preko PO4 grupa koje su negativne.

Prisutni su u maloj količini.

Njihov tip je različit zavisno od organizma, ili tkiva koje čine ćelije.

Vezani su za specifične regione u DNK.

Gradivna uloga – savijanje i pakovanje DNK.

Funkcionalna uloga – Enzimi.

HISTONSKI PROTEINIHISTONSKI PROTEINI NEHISTONSKI PROTEININEHISTONSKI PROTEINI

Najjednostavniji i osnovni nivo pakovanja je namotavanje oko histonskog jezgra.

Po dva molekula histona H2A, H2B, H3 i H4 grade osmočlano jezgro - oktamer.

Segent DNK (približno 140bp) stvara nepuna 2 navoja oko histonskog jezgra. Tako nastaje struktura nazvana nukleozom.

Između dva nukleozoma nalazi se 60bp “gole” DNK

Takva struktura nanizanih nukleozoma predstavlja prvi nivo organizacije hromatina – Nukleozonma nit

U daljem pakovanju učestvuje histon H1. On ima ulogu da povezuje susedne nukleozome, još više kondenzujući hromatin, gradi hromatinsku nit (tri puta deblja od nukleozomne niti). Ovo je osnovni oblik hromatina u interfazi.

Na osnovu morfoloških i funkcionalnih osobina postoje dva tipa hromatina:

EuhromatinEuhromatin HeterohromatinHeterohromatin

•Svetliji je.•Rastresitiji je.•Ranije se replicira.•Sadrži genetički aktivne regione.

•Tamniji je.•Kondenzovaniji je.•Genetički je neaktivan.•Postoje 2 tipa heterohromatina konstitutivni i fakultativni

Može da se nalazi uvek na istom mestu, takav je heterohromatin u regionu telomera i centromera, ili ima promenljivo mesto zavisno od perioda života ili tipa ćelije.

Njegovo prisustvo nije obavezno niti stalno, nalazi se na inaktivnom X hromozomu kod ženki sisara, poznatom kao Barovo telo.

Da bi se adekvatno izvršila deoba ćelije, hromatin mora da se kondenzuje. Hromatinska nit se dodatno umotava i gradi petlje pakujući se u hromozom.

Broj hromozoma se razlikuje kod različitih organizama, ali je uvek isti za svaku telesnu ćeliju jedne vrste.

Ljudska somatska ćelija ima 23 para homozoma (22 para autozoma i jedan par polnih hromozoma).

RNK su po pravilu jednolančani molekuli*. Redosled nukleotida u RNK takođe određuje njenu primarnu

strukturu. I nukleotidi u RNK se mogu komplementarno sparivati

vodoničnim vezama gradeći parove A/U i G/C. Takvo sparivanje se vrši unutar jednog lanca. Na taj način molekul RNK dobija svoju sekundarnu strukturu i biološku aktivnost.

Molekuli RNK su nestabilniji od DNK. To se ogleda u dužini lanca. RNK su mnogo kraći molekuli.

*Kod nekih virusa se javlja dvolančana RNK, koja čini osnovu njihovog naslednog materijala.

Za manju stabilnost RNK lanca je odgovorna razlika u građi šećera, koja utiče na postojanost fosfodiestarske veze.

Najveća dužina RNK iznosi najviše do nekoliko hiljada nukleotida.

Prema funkciji koju vrše u ćeliji, RNK su podeljene na tri osnovna tipa:

•iRNK - Informaciona RNK•tRNK - Transportna RNK•rRNK - Ribozomska RNK

Molekuli informacione RNK su prenosioci genetičke informacije (sa DNK na protein).

Redosled nukleotida u iRNK se prevodi u redosled aminokiselina u proteinu. Na taj način je sinteza proteina kontrolisan proces.

iRNK su najraznovrsniji tip RNK po strukturi i veličini.

Količinski molekuli iRNK čine samo 5-10%.

tRnk prenosi aminokiseline do ribozoma, gde se vrši sinteza proteina.

Veća grupa RNK, čine 10-15% ukupne ćelijske RNK.

49 tipova funkcioniše u citoplazmi, a 22 u mitohondrijama (kod eukariota).

Kratki lanci – u svom sastavu imaju 75 do 90 nukleotida.

Imaju karakterističnu sekundarnu strukturu u vidu deteline se tri lista.

Učestvuje u građi subjedinica ribozoma (65% njihovog sastava). Najveća grupa, čini oko 80% svih RNK u ćeliji. U ribizomima citoplazme 5S, 16S i 23S rRNK kod prokariota, a kod

eukariota 5S, 5.8S, 18S i 28S rRNK* U ribozomima mitohondrija se nalaze 12S i 16S rRNK Mnoge rRNK imaju enzimsku aktivnost – Ribozimi. Utvrđeno je da rRNK katalizuje formiranje peptidne veze u translaciji. Ostale njihove funkcije su još uvek slabo ispitane.

*Oznaka S predstavlja Svedbergovu jedinicu koeficijenta sedimentacije molekula

Ima ih oko 1500 tipova. Struktura ovih RNK je takva da omogućava komplementarno sparivanje sa RNK ili DNK. Na taj način sprečavaju ekspresiju kodirajućeg (sens) niza, pa su nazvane antisens.

snRNKsnRNK (male jedarne) ulaze u sastav splajsozoma, koji učestvuju u obradi primarnog prepisa iRNK. Zbog visokog sadržaja uracila nazivaju se i U-RNK.

snoRNKsnoRNK (male jedarcetne) vrše obradu i modifikaciju baza rRNK u jedarcetu.

miRNKmiRNK (mikro) imaju samo 22 nukleotida, vezuju se za iRNK u citoplazmi i tako regulišu sintezu proteina

RNK enzima telomeraze RNK enzima telomeraze – omogućava replikaciju telomernih regiona hromozoma.

SRP RNKSRP RNK (7SL RNK) ulazi u sastav kompleksa koji prepoznaje signalnu sekvencu na proteinima i omogućuje njihov ulazak u endoplazmatični retikulum.

Ćelijskoj deobi uvek prethodi replikacija – proces u kome se udvoji količina genetička informacije, tako da se prilikom deobe ćelije količina DNK ne gubi i ćerke ćelije imaju istu količinu DNK kao i majka ćelija pre deobe.

Na ovaj način se genetička informacija prenosi s jedne generacije na drugu, a pritom je obezbeđena stalnost u količini i sadržaju DNK.

Replikacija je proces kopiranja molekula DNK. U replikaciji uvek nastaju dva identična molekula DNK.

Tokom replikacije, prvo se dva polinukleotidna lanca iz dvolančene zavojnice prekinu (zaseku) pod dejstvom enzima nukleaze, a zatim razdvajavu, pod dejstvom enzima helikaze koji kida vodonične veze izmađu komplementarnih baza.

Oba dobijena lanca služe kao matrica za sintezu novih lanaca. Posle deobe, ćerka ćelija dobija DNK u kojoj je jedan roditeljski, a drugi novosintetisani lanac – Semikonzervativnost.

DNK prokariota je kružna dvolančana, zatvorena zavojnica.

Replikacija počinje na određenom mestu i odvija se istovremeno u oba smera istom brzinom.

Proces se završava u terminacionom regionu, koji se nalazi nasuprot mestu početka replikacije.

U eukariotskim ćelijama DNK se replicira 10-20 puta sporije, ona nije kružna i zajedno sa proteinima se nalazi u složenoj strukturi hromatina.

Replikacija počinje na više mesta istovremeno, i od svakog mesta gde je počela odvija se u oba smera istovremeno.

Mesta na DNK gde se odvija replikacija su u obliku slova Y i nazvana su replikacione viljuške.

Smer sinteze polinukleotidnog lanca je uvek 5’-3’, zato se u okviru replikacije izdvaja sinteza vodećeg i zaostejućeg lanca.

U slobodan prostor replikacione viljuške ulazi enzim RNK polimeraza.

RNK polimeraza nasuprot 3’ kraja starog lanca ređa ribonukleotide u 5’-3’ smeru (novi lanac).

Ovaj enzim považe nekoliko nukleotida u niz i izlazi iz replikacione viljuške.

Na mesto gde je stala RNK polimeraza dolazi DNK polimeraza III, koja čita dalje šifru bez prekida i ređa, u odnosu na stari lanac komplementarne deoksiribonukleotide u 5’-3’ smeru. DNK polimeraza III se takođe vraća na mesto gde je RNK polimeraza vezala ribonukleotide i zamenjuje ih deoksiribonukleotidima.

Da bi zamenila stare ribonulleotide, mora da raskine fosfodiestarske veze kojima su oni povezani u lanac – u tome se ogleda i njena nukleazna uloga.

Popravljanje ribonukleotida DNK polimeraza III vrši u 3’-5’ smeru.

Sinteza mora da krene sa čitanjem 3’ kraja starog lanaca kako bi se novi lanac sintetisao u 5’-3’ smeru.

RNK polimeraza kreće sintezu novog lanca od proizvoljnog nukleotida.

Ona poveže nekoliko ribonukleotida i odlazi. Na mesto gde je RNK polimeraza stala, dolazi DNK

polimeraza III, poveže nekoliko deoksiribonukleotida (ne ide do kraja kao u vodećem lancu) i odlazi.

Ovakvi segmenti sastavljeni pola od ribonukleotida, a pola od deoksiribonukleotida, nazivaju se Okazakijevi fragmenti.

Zatim ponovo dolazi RNK polimeraza, ali ona ne sintetiše lanac tamo gde je stala DNK polimeraza III, već ponovo bira proizvoljni nukleotid, ostavljajući prazno mesto.

Tako se stvori niz Okazakijevih fragmenata, ali takav lanac ima pumo grešaka (sadrži ribonukleotide i puno šupljina).

Enzim DNK polimeraza I ima ulogu da isptavi te greške: Popunjeva šupljine i zamenjuje ribonukleotide deoksiribonukleotidina. Ovo ispravljanje se vrši u 5’-3’ smeru.

U replikaciji učestvuje i enzim DNK polimeraza II, ali njene funksije još nisu dovoljno ispitane.

Gen je deo molekula DNK potreban za stvaranje funkcionalnog produkta, bilo da je to polipeptidni lanac ili funkcionalni molekul RNK.

Pored samog regiona koji se prepisuje u RNK sastavni deo gena su i susedni segmenti koji imaju reglatornu ulogu. Najvažiji je promotor, koji se nalazi na 5’ kraju gena i odgovoran je za započinjanje transkripcije.

U genima prokariota genetička informacija je kontinuirana (bez prekida). Jedan promotor po pravilu kontroliše transkripciju više gena u nizu.

Geni eukariota su diskontinuirani. EgzoniEgzoni (delovi koji sadrže genetičku informaciju). IntroniIntroni (segmenti koji ne nose genetičku

informaciju). Prilikom transkripcije, prvo se prepiše čitav gen

sa DNK (primarni prepis iRNK), a zatim se introni isecaju, a egzoni povezuju u zrelu iRNK.

Alternativna obrada transkripta Alternativna obrada transkripta - Egzoni ne moraju da se povezuju redom, kao što stoje u DNK molekulu, mogu da se povezuju i nesusedni egzoni, pa se različitom obradom primarnog transkripta mogu dobiti različite iRNK, odnosno različiti proteini nakon translacije.

Ispred gena se uvek nalazi niz nukleotida koji sadrži puno A/T parova, kako bi enzim prepoznao početak gena.

Na samom početku gena se nalazi promotor. Enzim RNK transkriptaza se vezuje za promotor zajedno sa regilatornim proteinima i gradi početni transkripcioni kompleks.

Nakon aktivacije ovog kompleksa dva lanca DNK se razdvajaju u dužini od 17 baznih parova i tako grade transkripcioni mehur u kome su sada jednolančani segmenti DNK dostupni za sparivanje sa ribonukleotidima novosintetisane RNK.

RNKTranskripcioni mehur

Informacija se prepisuje sa kodirajućeg dela DNK (gen za određeni protein se uvek nalazi na jednom lancu DNK).

Enzim RNK transkriptaza nadovezuje ribonukleotide u 5’-3’ smeru.

Kako enzim dodaje nove nukleotide tako se i transkripcioni mehur pomera, ali je uvek iste veličine.

Sintetisana RNK je uvek u toku transkripcije vezana za DNK preko 12 nukleotida samo svojim 3’ krajem, dok se 5’ kraj postepeno oslobađa.

Kraj gena sadrži 6 adenina u nizu. Enzim vezuje uracile na to mesto i postaje neaktivan.

RNK polimeraza transkriptaza

Kraj gena – 6 adenina u nizu

Ribonukleotidi

5’ kraj lanca RNK se oslobađa

Nastala RNK je primarni transkript i mora da se obradi u splajsozomima pre nego što stupi u translaciju.

Splajsozomi isecaju introne i povezuju egzone.

Dodaju nukleotidni segment na 5’ kraj lanca (kapa) kako bi ribozomi u transkripciji prepoznali početak RNK.

Na 3’ kraj RNK dodaju poli A rep (niz od oko 100 adenina) koji daje signal jedru da izbaci RNK u citoplazmu gde su ribozomi u kojima se odvija translacija.

Primarna struktura proteina je određena genetičkom informacijom u vidu redosleda nukleotida.

Grupe od tri susedna nukleotida predstavljaju kodove za jednu amino kiselinu – kodon.

Skup pravila koja povezuju svaku aminokiselinu sa odgovarajućim kodonima naziva se genetički kod

Broj različitih kodona je 43 = 64, a u sastav proteina ulazi 20 aminokiselina, tako da u najvećem broju slučajeva jednoj aminokiselini odgovara više različitih kodona.

Različiti kodoni koji određuju položaj iste aminokiseline nazivaju se sinonimni kodoni.

Među 64 kodona, nalaze se tri (UAA, UAG i UGA) koja ne odgovaraju ni jednoj aminokiselini. To su stop kodoni i oni predstavljaju stop signale, mesta gde se sinteza proteina zaustavlja.

Posebno značenje ima kodon AUG koji istovremeno predstavlja kodon za metionin i start signal, mesto od kojeg translacija počinje.

Mesto svake aminokiseline određuje se na osnovu komplementarnosti kodona u iRNK i antikodona u tRNK.

Translacija se odvija u ribozomima. Oni se sastoje iz male i velike podjedinice, a svaka od njih predstavlja paket nekoliko desetina proteina i 2-4 molekula rRNK.

Translacija predstavlja sintezu proteima i zasniva se na formiranju peptidne veze između –COOH grupe na kraju rastućeg polipeptidnog lanca i NH2 grupe aktivirane aminokiseline.

Tokom translacije, redosled nukleotida u iRNK čita se u grupama po tri u 5’-3’ smeru.

Ribozomi sadrže posebna mesta za vezivanje tRNK i u svakom trenutku translacije za ribozom su vezana dva molekula tRNK.

P-mestoP-mesto – Vezana je tRNK koja nosi rastući polipeptidni lanac.

A-mestoA-mesto – Vezana je tRNK koja donosi aktivnu aminokiselinu.

Ribozomske jedinice i tRNK grade početni translacioni kompleks sa iRNK na startnom kodonu AUG, koji je ujedno i kodon za metionin, pa translacija uvek počinje sa tRNK koja nosi ovu aminokiselinu.

U trenutku kada nastane početni translacioni kompleks, startni kodon se nalazi u oblasti P-mesta i za njega je vezana tRNK koja nosi metionin. A-mesta je prazno i pokriva susedni kodon.

Kada se odgovarajuća tRNK veže za A-mesto formira se peptidna veza između dve aminokiseline (jedne koju je prethodno donela tRNK, koja se sada nalazi u oblasti P-mesta, i novopristigle koja se nalazi na tRNK u oblasti A-mesta).

Mehanizam translacije

Nakon formiranja peptidne veze tRNK iz P-mesta raskida svoju vezu sa aminokiselinom i odlazi, a peptid ostaje vezan za tRNK iz A-mesta.

Nakon oslobađanja P-mesta, ribozom se pomera za jedan kodon.

Tako prethodno A-mesto sada postaje P-mesto, a novo A-mesto je oslobođeno za dolazak sledeće tRNK sa novom aminokiselinom.

Tako se ciklus ponavlja više puta sve dok ribozom ne stigne do stop kodona. Kada se jedan od stop kodona nađe u A-mestu, za njega se vezuje oslobađajući faktor (protein) i translacija se prekida.

Raskida se veza između rastućeg polipeptidnog lanca (sada nastalog proteina) i tRNK iz P-mesta, i protein se oslobađa u citoplazmu.

Gimnazija u Ćupriji 2009/2010