Struktura i funkcija nukleinskih kiselina za organsku hemiju i biohemij… · Definicija i podjela Nukleinske kiseline – makromolekule koje učestvuju u čuvanju, prenosu i ekspresiji

NUKLEINSKE KISELINE

Definicija i podjela

Nukleinske kiseline – makromolekule koje učestvuju u

čuvanju, prenosu i ekspresiji genetskih informacija

Nukleinske kiseline otkrio je Miescher 1869. godine u

različitom biološkom materijalu.

Javljaju se prvenstveno u jezgri stanice, ali ih ima i u

staničnoj citoplazmi.

Linearni polimeri građeni od nukleotida određenog

rasporeda

Definicija i podjela

Dezoksribonukleinska kiselina (RNK)

Ribonukleinska kiselina (DNK)

mRNK - informaciona

tRNK - transportna

rRNK - ribozomalna

Pri fiziološkom pH predstavljaju polianione.

Struktura NK

BAZA-purinska ili pirimidinska

ŠEĆER – riboza ili dezoksiriboza

FOSFATNI OSTATAK

Struktura NK

Purinske baze - adenin i guanin

Pirimidinske baze – citozin, timin, uracil

Struktura NK

Purinske baze - adenin i guanin

Derivati purina

Ulaze su sastav obje nukleinske kiseline, enzima, moţe se slobodan naći u krvi, mlijeku, kafi, čaju, duhanu

Razgradnjom nastaje mokraćna kiselina

Mogu se metilirati i takve ulaziti u sastav RNK

Struktura NK

Pirimidinske baze – citozin, timin, uracil

Derivati pirimidinskog prstena

Citozin prisutan u obje NK

Timin samo u DNK

Uracil samo u RNK

Struktura NK

Šećerna komponenta – riboza i dezoksiriboza

Razlika na drugom C atomu

Struktura NK

Baza + šećer – nukleozid

(DEZOKSI)RIBOZA + ADENIN = (DEZOKSI)ADENOZIN

(DEZOKSI)RIBOZA + GUANIN =(DEZOKSI)GUANOZIN

(DEZOKSI)RIBOZA + CITOZIN = (DEZOKSI)CITIDIN

DEZOKSIRIBOZA + TIMIN = DEZOKSITIMIDIN

RIBOZA + URACIL = URIDIN

Struktura NK

Baza + šećer = nukleozid

Struktura NK

Esteri H3PO4 i nukleozida = nukleotidi

Vezivanje na 2’, 3’ i 5 – riboza (odnosno 3’ i ’5’ –

dezoksiriboza)

Struktura NK


polifosfatni nukleotidi – ATP; ADP

Hemijska energija, koenzim

Struktura NK


Ciklični nukleotidi

Vezivanje na 2’, 3’ i 5 (odnosno 3’ i ’5)

cAMP – slobodan ili posle hidrolize NK, signalna molekula

Struktura NK

Struktura NK

Polinukeotidi – nukleinske kiseline

RNK i DNK

Polimerizacija nukleotida podrazumjeva stvaranje

fosfodiestarskih veza između 5´-fosfata jednog

nukleotida i 3´-hidroksila drugog nukleotida.

Polinukleotidi se uvijek sintetiziraju u smjeru od

5´ ka 3´, tako da se slobodni nukleotid dodaje na

3´-OH skupinu rastućeg lanca

Nastali lanac je usmjerena molekula: jedan kraj

završava 5´-fosfatnom skupinom (5´-kraj), a drugi

3´-hidroksilnom skupinom (3´-kraj).

Struktura NK

Riboza, H3PO4, baze (A, G, C i U)

Baze mogu biti metilirane ili

hidroksilirane

dihidroracil, pseudouracil

Ĉetiri nukleotida (AMP; GMP; CMP;

UMP)

Primarna struktura

raspored baza u lancima i način

vezivanja

Veza između dva nukleotida - 5’-3’

fosfodiesterska veza

Struktura RNK

Sekundarna struktura

parcijalno sparivanje baza

vodikovim vezama

A-U i G-C

Parcijalna geometrijska regulacija

Struktura RNK

Tercijarna struktura

pojava uvijenih lanaca nakon

sparivanja u sekundarnoj strukturi

pseudouvojnice

Struktura RNK

Vrste RNK

Informaciona – i(m)RNK

Ribozomalna -rRNK

Transportna RNK - tRNK

Struktura RNK

Informaciona – i(m)RNK

Velike (mada promjenjive) molekulske mase koja zavisi o

veličini proteina za čiju biosintezu nosi info

Jedna AK = tri baze

Prenosi informaciju na mjesto biosinteze proteina

(ribosom)

Očitavanje od 5’ starta do 3’ završetka

Struktura RNK

Ribozomalna – rRNK

Gradi ribozome (različita struktura prokariota i

eukariota)

S (Svedberg)-jedinica koja određuje brzinu taloţenja čestice u gravitacionom polju ultracentrifuge.

Struktura RNK

Transportna – tRNK

tRNK molekula je presavijena RNK

molekula i prikazuje se najčesće u

obliku lista djeteline.

Sadrţe intramolekulsko sparivanje

baza koje su povezane vodikovim

vezama

Donosi aminokiseline u ribosom za

sintezu proteina

Svaka AK ima bar jednu tRNK.

Sadrţi 70-95 nukleotida

Struktura RNK

Dezoksiriboza, H3PO4, baze (A, G, C i T)

dAMP, dGMP, dCMP i dTMP

Veza između dva nukleotida - 5’-3’ fosfodiesterska veza

Primarna struktura – raspored baza i način povezivanja

Slobodne OH grupe na 5’-3’

Velike razlike u rasporedu baza kod različitih biljnih i ţivotinjskih vrsta

Unutar jedne vrste DNK iz različitih tkiva i organa imaju sličan raspored baza

Zbir purinskih baza = zbir pirimidinskih baza

Zbir amino baza (A i C) = zbir hidroksilnih baza (G i T)

Struktura DNK

Sekundarna struktura

Sparivanje dva komplementarna

(antiparalelni) lanca

Vezivanje baza A i T; G i C

Povezanost rasporeda baza u

lancima

Struktura DNK

Tercijarna struktura – Watson i Crick (1953. g)

Dva spiralna lanca smotana oko zajedničke osi. Lanci se proteţu

u suprotnim smjerovima

Baze su smještene u unutrašnjosti, dok su fosfatne i šećerne

jedinice nalaze u vanjskom dijelu

Promjer je 2nm, razmak 0,34nm, zakretanje 36°, spirala se

ponavlja svakih10 nukleotida, tj. svakih 3,4 nm.

U slijedu baza je zapisana genetička informacija

Vrste DNK

E. Coli 4x106 parova

Ĉovjek 109

Struktura DNK

Tercijarna struktura

Vezivanje između purinskih baza je nemoguće jer je su prevelike

Vezivanje između pirimidinskih baza bi izazvalo preveliku

udaljenost

Guanin se ne moţe vezati sa timinom zbog rasporeda H atoma,

dok iz istog razloga nije moguća veza adenina sa citozinom

Jedino moguće vezivanje je adenin : timin, i guanin : citozin

Struktura DNK

Oštećenja DNK molekule

Faktori oštećenja

Cijepanje jednog ili oba lanca DNK lanca

Adicija skupina na nukleotide DNK molekule

Gubitak ili zamjena nukleinskih baza u DNK molekuli

Povezivanje pogrešnih baza

Struktura DNK

Pri fiziološkom pH, na sobnoj temperaturi, veoma su viskoznih

karakteristika; povećanjem temperature i promjenom pH dolazi do

denaturacije.

Pod denaturacijom se podrazumeva narušavanje sekundarne

strukture tako da se dvolančani DNK molekul razdvaja na dva

polinukleotidna lanca.

Denaturacijom DNK raskidaju se H-veze i hidrofobne veze,

razmotava se dvostruki heliks, a polinukleotidni lanci se potpuno

razdvajaju.

Temperatura denaturacije različita je za svaku DNK i zavisi od

sastava baza; (DNK bogate guaninom i citozinom imaju višu

temperaturu denaturacije i veću stabilnost, od onih sa timinom i

adeninom).

Osobine DNK

Najpovoljniji način za praćenje stanja DNK je UV spektroskopija.

Nakon denaturacije UV apsorpcija, koja potiče od aromatičnih baza

raste za oko 40% pri svim talasnim duţinama.

Ovaj fenomen poznat je kao hiperhromni efekat i rezultat je

narušavanja elektronskih interakcija između naspramnih baza, prati

se na određenoj talasnoj duţini obično oko 260 nm i javlja se u

uskom intervalu.

Ako se rastvor denaturirane DNK ubrzano hladi nastala DNK će

biti samo sa djelimično uparenim bazama, a ako se temperatura

postepeno sniţava, moguće je da se ponovo uspostavi gotovo

prirodna struktura.

Osobine DNK

Pod odgovarajućim uslovima moţe doći do renaturacije , tj. do

ponovnog spajanja komplementarnih lanaca DNK. Procesi

denaturacije i renaturacije odigravaju se i u stanici pod kontrolisanim

uslovima i u ograničenom obimu. Ti procesi predstavljaju neophodan

preduslov za normalno funkcionisanje DNK.

Osobine DNK

Formiranje sopstvenih kopija DNK – REPLIKACIJA

Prenos genetske informacije sa DNK na RNK – TRANSKRIPCIJA

Prenos genetske informacije na aminokiselinski lanac proteina – TRANSLACIJA

Gen je segment molekula DNA koji sadrţi informaciju potrebnu za upravljanje sintezom jednog polipeptida ili proteina.

Ovo načelo vaţi za sve ćelije, ali najnovija istraţivanja otkrivaju izuzetke od ovog pravila.

Nukleinske kisleine

Mogućnost reprodukcije osnovna je osobina svih ţivih bića. Svi

organizmi genetičku informaciju, koja određuje njihovu

strukturu i funkciju, nasljeđuju od svojih roditelja.

Sve stanice nastaju iz prethodno postojećih stanica i nuţno je

da se genetički materijal umnoţi i podijeli pri svakoj podjeli

stanice.

Replikacija DNK

Dva se lanca roditeljske DNK razdvajaju

i svaki od njih sluţi kao kalup za sintezu

po jednoga novoga lanca.

Na taj način nastaju dvije nove, potpuno

identične kćerke molekule DNK, gdje se

svaka sastoji od jednog “roditeljskog”

lanca i jednog novosintetiziranog lanca.

Slijed nukleotida u novonastalim lancima

DNK određen je komplementarnim

sparivanjem baza.

Replikacija DNK

DNA replikacija se odvija u 5’3’ smjeru

DNA dupli heliks se mora odmotati i dva DNA lanca se moraju

razdvojiti

Slobodni nukleotidi grade vodikove veze sa komplementarnim bazama u DNA lancu

Više od 20 enzima: DNK polimeraza, DNK helikaza, DNK topoizomeraza, DNK primaza, DNK ligaza....

Replikacija DNK

Početni primer (fitilj)

Primer (fragment novog lanca sa slobodnom 3’-OH grupom na koju se mogu dodavati novi nukleotidi)

DNK polimeraza moţe dodavati nukleotide samo na fragment DNK lanca sa slobodnom 3’-OH grupom.

Moţe dodavati nove nukleotide samo na već postojeći DNK lanac

U E. coli DNK polimeraza pravi jednu grešku na svakih 106-108

nukleotida.

.

Replikacija DNK

Replikacija teče u tri faze:

Inicijacija- DNK replikacija pocinje u mjestu inicijacije

Elongacija

Terminacija

Vodeći lanac- lanac DNK na kojem se novi DNK lanac moţe sintetizirati kontinuirano (3’-5’)

Komplementarni (lagging strand) lanac se produţuje diskontinuirano

Replikacija DNK

RNK primer - kratki fragmenti nastali u reakciji kataliziranoj primazom (RNK polimeraza) koji se vrlo brzo zamjenjuju DNK nukleotidima reakcijom DNK polimeraze

RNK polimeraza je enzim koji katalizira spajanje nukleotida, a ne zahtjeva primer.

Okazaki fragment - Relativno kratki fragmenti DNK koji nastaju na lagging strand tokom DNK replikacije

Nastaju produţenjem RNK primera

Kod eurokariota replikacija započinje istovremeno na nekoliko hiljada mjesta na DNK tako da se jedan lanac sintetizira kontinuirano, a drugi u vidu Okazaki fragmenata (150-250 nukleotida)

Replikacija DNK

Replikacija DNK

replication fork

lagging strand

Elongacija RNK primera

DNA elongacija uz pomoć Okazaki

fragmenta

RNA primer uklonjen DNK

polimerazom

DNA ligacija (povezivanje)

Transkripcija je proces prepisivanja i

prenošenja genetskih informacija, koji započinje

u jedru, sintezom mRNA.

5’3’ smjer

RNK polimeraza je enzim koji učestvuje u

ovom procesu

Jednolančana RNK molekula je sintetizirana

Koristi se sparivanjem baza

Isti princip kao i u DNK replikaciji

Transkripcija DNK

Transkripcija se inicira na promoterima

Promoter- specifična sekvenca DNK za koju se veţe RNK polimeraza.

RNK polimeraza I- je odgovorna za sintezu samo jednog tipa RNK, pre-rRNK

RNK polimeraza II- sinteza mRNK, kao i nekih RNK sa posebnim funkcijama

RNK polimeraza III- sinteza tRNK, 5S rRNK, i nekim manjih RNK molekula sa posebnim funkcijama

Transkripcija DNK

Transkripcija- nije potreban primer

Transkripcijom se samo određeni geni ili grupa gena prepisuju u

RNK za razliku od replikacije kada se sintetizira cijela DNK

molekula

Samo jedan DNK lanac sluţi kao osnova za kopiranje

Transkripcija DNK

Proteini se sintetiziraju na osnovu RNA-kalupa =

prevođenje ili translacija

Osim mRNA, za sintezu proteina vaţna su dva druga tipa RNA-

ribosomna (rRNA), koja je sastavni dio ribosoma i

transportna RNA (tRNA), koja djeluje kao adaptor koji

donosi aminokiseline na RNA-kalup.

Translacija RNK (sinteza proteina)

Genetičko uputstvo (genetički kod) – informacija o raspredubaza u molekuli DNK

Tri nukleotida čine triplet koje je osnova genetičkog uputstva

Triplet prepisan sa DNK na mRNK čini kodon ili kod

Tok genetičke informacije prepoznajemo kao središnju dogmu molekularne biologije

DNA RNA protein

Svaki kodon odgovara pojedinačnoj aminokiseline, te na taj način DNK preko mRNK određuje ugrađnju pojedinih aminokiselina u specifičnu vrstu proteina

Isti kodon (triplet) kodira istu aminokiseline bez obzira događa li se kod virusa, bakterija, biljaka ili čovjeka.


Na koji je način moguće informaciju sadrţanu u slijedu četiri

različita nukleotida prevesti u slijed 20 različitih amino kiselina

u proteinima?

20 različitih amino kiselina potrebno je odrediti pomoću svega četiri

nukleotida, bilo je nuţno da najmanje tri nukleotida budu uključena u

kodiranje svake amino kiseline.

Korišteni pojedinačno, četiri nukleotida mogli bi kodirati svega četiri

amino kiseline, a korišteni u parovima, svega šesnaest (42) amino kiselina.

Korišteni u obliku tripleta četiri nukleotida mogu kodirati 64 (43)

različite amino kiseline, što je više nego dovoljno za 20 različitih

aminokiselina koje izgrađuju proteine.



Start kodon

Stop kodon (3)

4 koda za jednu AK

2 koda za jednu AK

1 kod za Met i Trp

5’-CCU-AGC-GGA-CUU-3’

Pro-Ser-Gly-Leu

Razlike između sinteze proteina kod prokariota i eukariota


mRNK nosi poruku iz DNK koja se sastoji iz niza kodona

Veţe se za ribosom

Preko ribosoma vrši se translacija mRNK u citoplazmu i endoplazmatski retikulum

tRNK sadrţi triplet koji se naziva anti-kodon (komplementaran kodonu na mRNK)

Jedna tRNA molekule se moţe vezati za različite kodone


Proteini se ne mogu stvarati iz slobodnih aminokiselina obratnom reakcijom proteolize, zato što ravnoteţa leţi potpuno na strani hidrolize

Zbog toga se aminokiseline moraju aktivirati tj. postići viši potencijal za prijenos grupa kako bi se mogle povezati u peptide

tRNA molekule vezu aminokiseline energijom bogatom vezom, a istovremeno omogućuje prevođenje informacije iz RNA zbog posjedovanja antikodona

Translacija mRNA molekule se moze dešavati na više mjesta na molekuli istovremeno

Zato se na mRNA veţu čitavi nizovi ribosoma i na svakom od njih dolazi do sinteze proteina

Ti kompleksi ribosoma se mogu izolirati kao polisomi


Genetički kod se čita u nizu 5` ka 3`, što predstavlja kodon ili

triplet.

Antikodon na tRNA formira parove komplementarnih baza sa

kodonom na mRNA.



Ţeljeni raspored baza – umjetni gen

Plazmidi – kruţne DNK molekule u bakterijama

Nose gene za inaktivaciju antibiotika

Rekombinovana DNK

Restrikcijske endonukleaze i ligaze

Sinteza DNK u laboratoriji

Rekombinirani proteini – izmjenjeni plazmid se unosi u stanice bakterije

Proizvodi se novi izmjenjeni protein

Znatne količine proteina (uslijed brzog razmnoţavanja bakterija)


PSR (polimerase chain reaction) metoda – umreţavanje odabrane DNK molekule

Primer ( početni 20-30 nukleotida)

4 dezoksinukleotida

Termostabilni enzim Taq DNK polimeraza – katalizira sintezu DNK na visokim temperaturama


PSR teče u tri koraka

1. razdvajanje dvostruke uvojnice (95°C, 15s)

2. vezivanje primera na odgovarajuća mjesta, vezivanje na 3’ mjesto na lancu (temperatura je dovoljno visoka da ne dolazi do nastajanje početne spirale DNK)

3. DNK sintetaza (72°C), sinteza su smjeru 5’ - 3’


Ponavljanje 3 koraka

Eskponencijalni rast broja DNK molekula

2n molekula, n – broj ciklusa

30 ciklusa, nastaje 1000000 molekula DNK, sat vremena

Izuzetno osjetljiva (umnoţavane jedne molekule)

Potrebno poznavati raspored nekolicine baza na zavšecima fragmenata


Documents

Struktura i funkcija nukleinskih kiselina za organsku hemiju i biohemij… · Definicija i podjela Nukleinske kiseline – makromolekule koje učestvuju u čuvanju, prenosu i ekspresiji