Transcript dnr ir rnr molekulinė struktūra

DNR IR RNR
MOLEKULINĖ
STRUKTŪRA
ĮVADAS

Genetikos kursą pradėsime nuo molekulinės
genetikos


Pastarųjų metų mokslo pasiekimai, tobulinant
tyrimo metodus ir kuriant naujas koncepcijas,
labai išplėtė molekulinės genetikos žinias


Molekulinė genetika tyrinėja DNR struktūrą ir funkcijas
molekulių lygmenyje
Šis progresas palietė ne tik molekulinę, tačiau ir
požymių perdavimo bei populiacijų genetikas
Didžiaja dalimi genetikos žinios yra sukauptos
tiriant DNR ir RNR
2-2
2.1 DNR KAIP GENETINĖ
MEDŽIAGA

Savo funkciją genetinė medžiaga atlieka tik tada,
kai ji pasižymi tam tikromis savybėmis



1. Informacija: Ji privalo turėti informaciją, būtiną visam
organizmui sukurti
2. Paveldėjimu: Ji privalo būti perduodama iš tėvų
vaikams
3. Replikacija: Ji turi būti kopijuojama


Tada ji gali būti perduodama iš tėvų vaikams
4. Kintamumu: Ji privalo gebėti keistis

Toks kintamumas užtikrina plačiai stebima fenotpinę variaciją
kiekvienos rūšies viduje
2-3
2.1 DNR KAIP GENETINĖ
MEDŽIAGA

Daugelio genetikų, tarp jų ir Mendelio,
duomenys atitiko šias keturias savybes


Tačiau genetinės medžiagos cheminė prigimtis
negalėjo būti nustatyta vien tik kryžminant
organizmus
Iš tikrųjų, DNR kaip genetinės medžiagos
identifikavimas pareikalavo naujoviško
požiūrio į eksperimentinę biologiją
2-4
Fredericko Griffitho eksperimentai
su Streptococcus pneumoniae


Griffithas tyrė bakteriją (Diplococcus pneumoniae), kuri
dabar vadinama Streptococcus pneumoniae
Yra aptinkami du S. pneumoniae kamienai
 S  Smooth (lygus)

Sekretuoja polisacharidinę kapsulę



Ši apsaugo bakteriją nuo gyvūnų imuninės sistemos
Auginamos ant kietos terpės suformuoja lygias kolonijas
R  Rough (šiurkštus)


Nesugeba sekretuoti kapsulės
Kolonijų kraštai nelygūs
2-5


Be to, dviejų S kamienų kapsulės gali reikšmingai skirtis
pagal savo cheminę sudėtį
Retos mutacijos gali paversti S kamienus R kamienais ir
atvirkščiai

Tačiau mutacjos nekeičia kamienų tipų
2-6

1928 m. Griffithas atliko eksperimentus naudodamas
du S. pneumoniae kamienus: IIIS tipo ir IIR tipo

1. Pelėms suleistos gyvos IIIS tipo bakterijos



2. Pelėms suleistos gyvos IIR tipo bakterijos



Pelės išgyveno
Iš pelių kraujo nebuvo išskirta gyvų bakterijų
3. Pelėms suleistos aukšta temperatūra užmuštos IIIS tipo
bakterijos



Pelės žuvo
IIIS tipo bakterijos buvo išskirtos iš pelių kraujo
Pelės išgyveno
Iš pelių kraujo nebuvo išskirta gyvų bakterijų
4. Pelėms suleistos gyvos IIR tipo aukšta temperatūra
užmuštos IIIS tipo bakterijos


Pelės žuvo
IIIS tipo bakterijos buvo išskirtos iš pelių kraujo
2-7
2-8

Griffithas nusprendė, kad kažkokia medžiaga iš
žuvusių IIIS tipo bakterijų transformavo IIR tipo
bakterijas į IIIS tipą


Medžiaga, kuri tai padarė, buvo pavadinta
transformuojančiąja priežastimi


Jis pavadino šį procesą transformacija
Griffithui nepavyko nustatyti, kokia tai medžiaga
Transformuojančiosios priežasties prigimtis buvo
nustatyta gerokai vėliau, naudojant įvairius
biocheminius metodus
2-9
Avery, MacLeod ir McCarty
eksperimentai


Avery, MacLeod ir McCarty suprato, kad Griffitho
tyrimų rezultatai gali būti panaudoti genetinei
medžiagai nustatyti
Jie atliko savo eksperimentus penktame XX a.
dešimtmetyje


Tuo metu jau buvo žinoma, kad pagrindiniai ląstelių
makrokomponentai yra DNR, RNR, baltymai ir
angliavandeniai
Iš IIIS tipo bakterijų jie paruošė ląstelių ekstraktus,
turinčius kiekvieną iš šių makromolekulių

Tiktai ekstraktai, turintys išgrynintą DNR, galėjo
transformuoti IIR tipo bakterijas į IIIS tipo bakterijas
2-10

Avery et al taip pat atliko ir kitą eksperimentą

Jo reikėjo norint įrodyti, kad būtent DNR, o ne koks nors
kitas ekstrakto komponentas (RNR ar baltymas) yra
genetinė medžiaga
2-11
Hershey ir Chase eksperimentai
su bakteriofagu T2


1952 m. Alfred Hershey ir Marsha Chase pateikė
papildomų įrodymų, kad genetinė medžiaga yra
DNR
Jie tyrė bakteriofagą
T2

Jo sandara yra
palyginti paprasta,
nes jį sudaro tik dvi
makromolekulės

Kapsidės
viduje
Padaryti iš
baltymo
DNR ir baltymai
2-12
Bakteriofago T2
gyvenimo ciklas
2-13

Hershey and Chase eksperimentų santrauka:




Naudojo radioizotopus, norėdami atskirti DNR nuo
baltymų
32P specifiškai pažymi DNR

35S specifiškai pažymi baltymus

Radioaktyviai pažymėtais fagais buvo užkrečiamos
neradioaktyvios Escherichia coli ląstelės
Po tam tikro laiko, reikalingo infekcijai įvykti, likusios
fagų dalelės buvo pašalinamos
 => Fagų liekanos ir E. coli ląstelės buvo atskiriamos
Radioaktyvumas buvo vertinamas scintiliaciniu skaitikliu
2-14
Hipotezė

Tik fago genetinė medžiaga yra injekuojama į
bakterijas

Radioaktyvi žymė turi parodyti, ar tai yra baltymas, ar
DNR
2-15
Rezultatai
2-16
Duomenų interpretacija
Dauguma
radioaktyvios sieros
rasta supernatante
Tačiau tik maža dalis
radioaktyvaus fosforo

Šie rezultatai rodo, kad infekcijos metu fago DNR buvo injekuota į
bakterijų citoplazmą
 Tai yra tas rezultatas, kurio buvo galima tikėtis, jei būtent DNR yra
genetinė medžiaga
2-17
Kai kuriuose virusuose genetinės
medžiagos funkciją atlieka RNR

1956 m. A. Gierer ir G. Schramm išskyrė RNR iš
augalų viruso – tabako mozaikos viruso (TMV)

Išvalyta RNR sukeldavo tas pačias pažaidas, kaip ir
intaktinis TMV


Taigi, šių virusų genomą sudaro RNR
Dabar aptikta nemažai RNR virusų
2-18
DNR ir RNR virusų pavyzdžiai
Virusas
Šeimininkas
Nukleino rūgštis
Tabako mozaikos virusas
Tabakas
RNR
Gripo virusas
Žmogus
RNR
HIV (ŽIV)
Žmogus
RNR
f2
E.coli
RNR
Kalafiorų mozaikos virusas Kalafiorai
DNR
Herpes virusas
Žmogus
DNR
SV40
Primatai
DNR
Epstein-Barr virusas
Žmogus
DNR
T2
E.coli
DNR
2-19
2.2 NUKLEINO RŪGŠČIŲ
STRUKTŪRA

DNR ir RNR yra stambios makromolekulės,
susidarančios iš keleto lygmenų struktūrų




1. Nukleotidai sudaro pasikartojančius vienetus
2. Nukleotidai susijungia sudarydami grandinę
3. Dvi grandinės sąveikauja sudarydamos dvigubą
spiralę
4. Dviguba spiralė susisuka, susilanksto ir sąveikauja
su baltymais, sudarydama 3-D struktūras,
formuojančias chromosomas
2-20
2-21
Nukleotidai

Nukleotidai yra pasikartojantys DNR ir RNR
struktūriniai vienetai

Juos sudaro trys komponentai



Fosfatinė grupė
Pentozė (cukrus)
Azotinė bazė
2-22
2-23

Šie atomai randami laisvuose nukleotiduose

Tačiau jie yra pašalinami, kai nukleotidai jungiasi tarpusavyje,
sudarydami DNR ir RNR grandines
A, G, C ar T
Pasikartojantis dezoksiribonukleino
rūgšties (DNR) elementas
A, G, C ar U
Pasikartojantis ribonukleino rūgšties
(RNR) elementas
Nukleotidų, randamų (a) DNR ir (b) RNR, struktūra
2-24

Bazė + cukrus  nukleozidas


Pavyzdžiai
 Adeninas + ribozė = adenozinas
 Adeninas + dezoksiribozė = dezoksiadenozinas
Bazė + cukrus + fosfatas(i)  nukleotidas

Pavyzdžiai
 Adenozino monofosfatas (AMP)
 Adenozino difosfatas (ADP)
 Adenozino trifosfatas (ATP)
2-25
Bazė visada
prisijungia čia
Fosfatai
prisijungia čia
2-26

Nukleotidai kovalentiškai susijungia per
fosfodiesterinę jungtį


Tuo būdu grandinė turi kryptį


Fosfatas jungia vieno nukleotido 5’ anglies atomą su kito
nukleotido 3’ anglies atomu
Iš 5’ į 3’
Fosforo rūgšties liekanos ir cukrūs sudaro nukleino
rūgšties grandinės karkasą

Bazės kyšo iš karkaso
2-27
2-28
DNR struktūra buvo išaiškinta
remiantis keliais esminiais rezultatais


1953 m. James Watson ir Francis Crick nustatė, kad
DNR sudaro dviguba spiralė, kurioje nukleotidai
sąveikauja tarpusavyje pagal tam tikras taisykles
Tačiau šio atradimo mokslinius pagrindus sukūrė kiti
mokslininkai



Linus Pauling
Rosalind Franklin ir Maurice Wilkins
Erwin Chargaff
2-29
Linusas Paulingas

Penktajame XX a.
dešimtmetyje jis nustatė,
kad tam tikri baltymų
regionai gali susilankstyti į
antrinę struktūrą


a-spiralė
Šiai struktūrai išaiškinti, jis
pagamino modeli, sudarytą
iš rutuliukų ir lazdelių
2-30
Rosalind Franklin

Dirbo vienoje
laboratorijoe su
Mauricu Wilkinsu

Naudojo Rentgeno
spindulių difrakciją
drėgnų DNR siūlų
struktūrai tirti
Difrakcinį vaizdą galima
interpretuoti, naudojant matematinio
modeliavimo metodus. Tai gali
suteikti informacijos apie tiriamos
molekulės struktūrą
2-31
Rosalind Franklin


Rentgeno difrakcijos metodais ji
pasiekė gana didelės pažangos,
tyrinėjant DNR struktūrą
Difrakciniai vaizdai atspindėjo
kai kurias pagrindines DNR
savybes



Spiralinė struktūra
Daugiau nei viena grandinė
10 bazių porų tenka vienai pilnai
spiralės vijai
2-32
Erwino Chargaffo
eksperimentai



Chargaffas pirmasis panaudojo daugelį nukleino
rūgščių išskyrimo iš gyvų ląstelių, išgryninimo ir
matavimo biocheminių metodų
Tuo metu jau buvo žinoma, kad DNR sudaro
keturios bazės: A, G, C ir T
Bazių sudėties analizė gali atskleisti svarbias
DNR struktūros ypatybes
2-33
2-34
2-35
Chargaffo tyrimų duomenys: bazių
procentinis santykis skirtingų organizmų
DNR
Organizmas
Bazių %
Adeninas Timinas
Guaninas Citozinas
Escherichia coli
26.0
23.9
24.9
25.2
Streptococcus pneumoniae
29.8
31.6
20.5
18.0
Mielės
31.7
32.6
18.3
17.4
Vėžlių eritrocitai
28.7
27.9
22.0
21.3
Lašišų spermatozoidai
29.7
29.1
20.8
20.4
Viščiukų eritrocitai
28.0
28.4
22.0
21.6
Žmogaus kepenų ląstelės
30.3
30.3
19.5
19.9
2-36
Rezultatų interpretavimas


Duomenys, pateikti lentelėje, sudaro tik nedidelę
dalį visų rezultatų, gautų Chargaffo
Iš rezultatų akivaizdžiai matyti, kad



Adenino procentas = timino procentui
Citozino procentas = guanino procentui
Šis dėsningumas vadinamas Chargaffo taisykle

Tai buvo vienas pagrindinių atspirties taškų, kuriuos
panaudojo Watsonas ir Crickas DNR struktūrai išaiškinti
2-37
Watsonas ir Crickas

Būdami susipažinę su visais šiais tyrimų rezultatais,
Watsonas ir Crickas pasiryžo išsiaiškinti DNR
struktūrą


Jie bandė pagaminti DNR modelį iš rutuliukų ir lazdelių,
kuriam būtų būdingi visi žinomi eksperimentiniai DNR
bruožai
Esminis klausimas buvo kaip dvi (ar daugiau)
grandinių sąveikauja tarpusavyje

Pirminė idėja buvo, kad grandinės sąveikauja per fosfatoMg++ sąsiuvas
2-38

Ši hipotezė, žinoma, buvo neteisinga!
2-39
Watsonas ir Crickas

Tada jie sukūrė modelį, kuriame



Pradžioje jie manė, kad vandenilinės jungtys jungia
identiškas bazes, esančias priešingose grandinėse


Fosfodezoksiribozinis karkasas buvo išorėje
Bazės buvo projektuojamos viena priešais kitą
t.y., A su A, T su T, C su C, and G su G
Tačiau modeliavimas parodė, kad ir šis modelis nėra
teisingas
2-40
Watsonas ir Crickas

Tik tada jie suprato, kad vandenilinės jungtys
susidaro tarp A ir T bei tarp C ir G

Taigi, jie pagamino modelį, kuriame A sąveikavo su T, o G
– su C

Šis modelis jau atitiko visus tuo metu žinomus duomenis apie DNR
struktūrą
2-41
Watsonas ir Crickas
Watsonas, Crickas ir Wilkinsas 1962 m. už DNR
struktūros išaiškinimą gavo Nobelio premiją

Deja, Rosalind Franklin mirė 1958, o Nobelio premijos
nėra skiriamos po mirties.

2-42
Dviguba DNR spiralė

Pagrindinės struktūros ypatybės



Dvi grandinės yra susivijusios apie centrinę ašį
Vieną pilną apviją sudaro 10 bazių
Abidvi grandinės yra antiparalelios


Vienos kryptis yra nuo 5’ į 3’, o kitos - nuo 3’ į 5’
Spiralė yra dešninė

Kai ji vijasi nuo jūsų, spiralė sukasi pagal laikrodžio
rodyklę
2-43
Dviguba DNR spiralė

Pagrindinės struktūros ypatybės

DNR struktūra yra stabilizuojama

1. Tarp komplementarių bazių susidaro vandenilinės
jungtys



A jungiasi su T per dvi vandenilines jungtis
C jungiasi su G per tris vandenilines jungtis
2. Bazių stekingas

DNR struktūroje bazės yra orientuotos taip, kad jų plokščiosios
dalys “žiūri” viena į kitą. Esant tokiai orientacijai, tarp bazių
susidaro stekingo jėgos, kurios papildomai stabilizuoja DNR
struktūrą
2-44
Pagrindinės savybės
•Dvi DNR grandinės formuoja
dešninę dvigubą spiralę
•Bazės priešingose grandinėse
jungiasi vandenilinėmis
jungtimis pagal A/T ir G/C
taisyklę
•DNR grandinės yra antiparalelios pagal savo
5’3’ kryptį
•Kiekvienos grandinės
pilną 360° apviją
sudaro 10 nukleotidų
2-45
Dviguba DNR spiralė

Pagrindinės struktūros ypatybės

Spiralės paviršiuje susiformuoja du asimetriški
grioveliai

1. Didysis griovelis

2. Mažasis griovelis

Kai kurie baltymai gali jungtis prie šių griovelių

Tuo būdu jie gali sąveikauti su tam tikromis nukleotidų sekomis
2-46
2-47
DNR gali susiformuoti į kelių tipų
dvigubas spirales

DNR dviguba spiralė gali sudaryti skirtingos
konformacijos antrines struktūras


Dominuojanti forma, randama gyvose ląstelėse
yra B-DNR
Esant tan tikroms in vitro sąlygoms, gali
formuotis A-DNR ir Z-DNR dvigubos spiralės
2-48

A-DNR





Dešninė spiralė
Vienoje vijoje 11 bp
Susiformuoja esant žemai drėgmei
Nėra aiškių įrodymų apie jos biologinę svarbą
Z-DNR



Kairinė spiralė
Vienoje vijoje 12 bp
Formavimą skatina



Esant didelei druskų koncentracijai - GC-turtingos sekos
Esant mažai druskų koncentracija – citozino metilinimas
Tokia konformacija gali būti svarbi transkripcijai ir
rekombinacijai, bent jau mielių ląstelėse
2-49
Bazės
pakrypusios
centrinės
ašies
atžvilgiu
Bazės
pakrypusios
centrinės
ašies
atžvilgiu
Bazės santykinai
statmenos centrinei
ašiai
Fosfofdezoksiribozinis
karkasas išsidėstęs
zigzagiškai
9-50
DNR gali sudaryti trigubą spiralę

XX a. Šeštojo dešimtmečio pabaigoje Alexander
Rich et al atrado trigubą DNR


Ji susiformavo in vitro naudojnant sintetinės DNR
fragmentus
Devintajame dešimtmetyje buvo nustatyta, kad
natūrali dvigrandininė DNR gali jungtis su sintetine
DNR grandine ir suformuoti trigubą DNR spiralę
(tripleksą)

Sintetinė DNR grandinė jungiasi prie natūralios DNR
didžiojo griovelio
2-51

T jungiasi prie
AT poros
natūralioje DNR


C jungiasi prie
GC poros
natūralioje DNR
Tripleksinė DNR gali
dalyvauti keliuose
svarbiuose procesuose


Kaspino modelis
Tripleksinės DNR
formavimasis priklauso
nuo specifinių sekų
Bazių poravimosi
taisyklės yra
Replikacijoje,
transkripcijoje,
rekombinacijoje
Neseniai aptikti ląstelių
baltymai, specifiškai
atpažįstantys
tripleksinę DNR
Bazių sekos pavyzdys
2-52
Erdvinė DNR struktūra

Tam, kad DNR tilptų ląstelėjė, ji turi būti efektyviai
kompaktizuota per erdvines struktūras


Tokios struktūros sukuriamos dalyvaujant baltymams,
galintiems jungtis prie DNR
Plačiau apie tai bus kalbama sekančioje paskaitoje
2-53
DNR apsiveja
apie histoninius
baltymus
2-54
RNR struktūra



Pirminė RNR grandinės struktūra yra labai panaši į
DNR grandinės struktūrą
RNR grandinės paprastai būna nuo kelių šimtų iki
kelių tūkstančių nukleotidų ilgio
RNR sintetinama naudojant DNR kaip matricą.
Šios sintezės metu naudojama tik viena iš dviejų
DNR grandinių
2-55
2-56

Nors RNR dažniausiai yra viengrandininė, RNE
molekulėse gali formuotis dvigrandininiai regionai

Šios antrinės struktūros susidaro dėl komplementarių
bazių poravimosi



Dėl to trumpuose RNR segmentuose susiformuoja
dviguba spiralė
Tipiška RNR dviguba spiralė



A su U ir C su G
Yra dešninė
Sudaro A formą, kurioje vienai vijai tenka 11-12 bp
Gali susidaryti skirtingų tipų RNR antrinės
struktūros
2-57
Komplementarūs
regionai
Palaikomi vandenilinių
jungčių
Išsikišusi kilpa
Vidinė kilpa
Išsišakojusi kilpa arba mazgas
Kamieninė kilpa
Nenkomplementarūs regionai
Turi bazes, išsikišančias iš
dvigrandininių regionų
Taip pat vadinama
smeigtuko galvute
2-58

Daugelis veiksnių
gali įtakoti RNR
tretinę struktūrą

Pavyzdžiui


Molekulė turi
viengrandininius ir
dvigrandininius regionus
Bazių poravimasis ir
stekingas RNR
molekulėje
Jie sąveikauja
sudarydami šias 3-D
struktūras
Sąveikos su jonais,
mažomis
molekulėmis ir
stambiais baltymais
Kaspino modelis

Tretinė tRNRphe struktūra

Tai transportinė RNR kuri perneša fenilalaniną
2-59