Transcript Nukleinske kiseline – Todorovic Dusan 4-3






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
Pentoza
Fosfatni ostatak

U nukleotidima DNK
molekula nalaze se
molekuli šećera 2-deoksi
riboze (dezoksi riboza).

U nukleotidima RNK
molekula nalaze se
molekuli šećera riboze.
Šećeri se nalaze u furanoznom obliku.
Razlika između ova dva šećera je u tome što je 2-deoksi
riboza izgubila atom kiseonika na drugom C atomu.



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)
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.
Citozin (C)
Timin (T)
Uracil (U)




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 GC 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.
•Opisani model je ujedno i najčešća forma molekula DNK u prirodi, označena i
kao B forma.
•Međutim DNK se javlja još u dva oblika:
Z FORMA
A FORMA

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)
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.
HISTONSKI PROTEINI



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.
NEHISTONSKI PROTEINI





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.



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:
Euhromatin
Heterohromatin
•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 1015% 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.





snRNK (male jedarne) ulaze u sastav splajsozoma,
koji učestvuju u obradi primarnog prepisa iRNK.
Zbog visokog sadržaja uracila nazivaju se i U-RNK.
snoRNK (male jedarcetne) vrše obradu i modifikaciju
baza rRNK u jedarcetu.
miRNK (mikro) imaju samo 22 nukleotida, vezuju se
za iRNK u citoplazmi i tako regulišu sintezu proteina
RNK enzima telomeraze – omogućava replikaciju
telomernih regiona hromozoma.
SRP 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.
Egzoni (delovi koji sadrže genetičku informaciju).
Introni (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 - 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.
Transkripcioni mehur
RNK





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
5’ kraj lanca RNK
se oslobađa
Ribonukleotidi




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.


Posebno značenje
ima kodon AUG
koji istovremeno
predstavlja kodon
za metionin i start
signal, mesto od
kojeg translacija
počinje.
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.


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.


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.



Ribozomi sadrže posebna
mesta za vezivanje tRNK
i u svakom trenutku
translacije za ribozom su
vezana dva molekula
tRNK.
P-mesto – Vezana je
tRNK koja nosi rastući
polipeptidni lanac.
A-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 Pmesta, i novopristigle koja se nalazi na tRNK u oblasti Amesta).
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