Transcript DNK - Genetika

Struktura i funkcija genetičkog
materijala Biohemijska genetika –
molekularna genetika
Istorijat, građa DNK
Biohemijska genetika - grana genetike koja
proučava biohemijsku strukturu naslednosti i
promenjivosti u živom svetu.
Molekularna genetika – grana genetike
koja izučava nasledne promene na molekularnom
nivou i utvrđuje mahanizme regulisanja
aktivnosti gena.
Istorijat razvoja biohemijske
genetike

Friedrich Miescher
(1868)
–Izolacija
nukleinskih
Istorijat razvoja biohemijske genetike

Garrod (1908)
– Urođene greške
metabolizma
– metabolizam
fenilalanina
(fenilketonurija)
DNK-faktor transformacije u
Pneumococcus-u

Griffit (1928)
– Transformacija pneumokoka

Kod Pneumococcus-a prvi put dokazano da je
DNK nosilac naslednog materijala svih
prokariota i eukariota.
postoje 2 tipa Pneumococcus-a
Rezistentni na antibiotike-patogeni (virulentne)-

Senzitivni - osetljivi na antibiotike


Griffit-ov eksperiment



Griffit (1928) je proučavajući prouzrokovače
pneumonije kod miša zaključio da se nepatogene
R ćelije transformišu u patogene pomoću
zagrevanja odnosno “ubijanja” S ćelija.
Pri zagrevanju dolazi do razlaganja
DNK, i
njenom kontrolisanom estrakcijom i prenošenjem
1 u 2 ćeliju menjane su osobine.
Time je Griffit pokazao mogućnost transformacije
gena, ali nije uspeo da utvrdi biohemijsku
strukturu te aktivne genetičke supstance.
Istorijat razvoja biohemijske
genetike
 Beadle
&
Tatum
(1941)
– Jedan genjedan enzim
– Nobel 1958

Avery, Macleod and McCarty
(1943)
– DNK je nosilac nasledne informacije
Avery, Macleod i McCarty –ev
eksperiment

Nastavili istraživanja Griffita na Pneumococcus-u

Iz patogenog (S) soja izdvojili su DNK i stavili je u
sredinu gde žive nepatogeni sojevi (R) i ubrzo su
se pojavile i ćelije patogenog soja (S).

Ogled je pokazao da DNK ima aktivnu ulogu u
naslednosti i da je nosilac genetičkih informacija.
• A. D. Hershey and Martha Chase
-Pružili dokaz da je
DNK nasledni
materijal.
Eksperiment su
radili na
nemarkiranoj E.coli
koju su inficirali
bakteriofagom
Hershey i Chase eksperiment


1952. dokazali da
DNK virusa ulazi u
ćeliju domaćina i vrši
transformaciju –
razlaže njen
unutrašnji sadržaj i
stvara mnoštvo novih
ćelija virusa.
U podlogu gde se
gajene bakteriofage
stavljeni su
radioktivni izotopi P32
i S35 i utvrđeno je da
se oni ugrađuju u
proteine (S) i DNK
virusa (P)
Pružen je direktan dokaz da je
DNK
genetički materijal bakteriofaga
i ujedno je potvrđena uloga
DNK u nasleđivanju
 Watson,
Crick (1953)
– DNK je dvolančana
zavojnica
– Nobel 1962
Centralna dogma molekularne biologije

Crick & Gamow (1957)
DNK
Transkripcija
Replikacija
RNK
Translacija
Protein
Umnožavanje DNK u epruveti

Arthur Kornberg
(1958)
– izolovao DNK
polimerazuenzim koji
sintetiše novi
lanac DNK na
osnovu
postojećeg koji
služi kao matrica.
Otkrića koja su omogućila dalji
razvoj biotehnologije


Paul Berg (1972)
– Otkrio i izolovao restrikcione enzime koji seku mol
DNK na tačno određenom mestu (kao makaze) a
zatim upotrebio enzim ligazu (lepak) da bi ponovo
spojio isečene delove i tako napravio prvu
veštačku-rekombinovanu DNK.
Kary Mullis (1985)
– otkrio PCR- metod za indentifikaciju DNK
fragmenata nastalih delovanjem restrikcoinih
enzima.
Nukleinske kiseline






Nukleinske kiseline su
polimeri nikleotida
Sastavljeni su od:
azotne baze
šećera pentoze
ostatka fosforne kiseline
Postoje dva tipa
nukleinskih kiselina
DNK
RNK
Funkcija DNK
DNK
sposobna da se:
 reprodukuje u
indentičnom obliku
 prenosi nasledne
informacije na
potomstvo
 menja se povremeno
(mutacije)
Hemijski sastav i struktura DNK
5’
3’
3’
A
T
C
G
G
C
T
A
N
U
K
L
E
O
Z
I
D
NUKLEOTID
Šećer
Azotne baze
Purinske -
Adenin (A)
Guanin (G)
Pirimidinske - Timin (T)
Citozin (C)
5’
Ostatak
fosfatne kis.
NUKLEOTID
NUKLEOZID
Struktura DNK
Azotna baza je Nglikozidnom vezom
povezana sa pentozom, pri
čemu se N-1 atom
pirimidinske, odnosno N-9
atom purinske baze
povezuje sa hidroksilnom
grupom C-1 atoma
pentoznog šećera. Azotna
baza i šećer čine nukleozid.
Fosfatna kiselina je
povezana estarskom vezom
sa OH grupom na C-5
atomu pentoze, gradeći
fosfatni estar nukleozida tj.
nukleotid.
N1
N-9
DNK je dvočlani molekul (dvostruki
heliks, zavojnica).
Struktura DNK
Bazni parovi se naslojavaju jedan
iznad drugih i međusobno su
udaljeni 0.34 nm. Deset baznih
parova (Bp)pravi pun okret (360
stepeni) u dvostrukom heliksu. Bp
povezani su hidrogenskin vezama.
Nasuprot baznim parovima koji se
nalaze unutar mol DNK, prema
periferiji postoji fosfodiestarska
veza (izgrađena od fosfata i šećera
koji se naizmenično smenjuju.
Lanci DNK međusobno su anti
paralelni (5’ kraj jednog lanca
nalazi se naspram 3’ kraja
drugog i obrnuto.
3’
5’
Struktura DNK
Struktura DNK može biti:
1.
PRIMARNA – broj i redosled
nukleotida u jednom lancu
ctgaattgcatggtactgacctgagt
2.
SEKUNDARNA – dva, duga
komplementarna lanca međusobno
povezana vodoničnim vezama
3. TERCIJARNA – višestruko
ispresavijana
i smeštena u mali prostor jedra ćelije
SEKUNDARNA struktura
DNK
Struktura DNK
Chargaff-ova pravila (1950)



Hemijska ispitivanja koje je vršio Chargaff su pokazala da
DNK pokazuje dovoljnu hemijsku složenost koja je
neophodna genetičkom materijalu.
Chargaff-ova pravila su potvrdila da genetička specifičnost
svake biološke vrste počiva na broju i redosledu nukleotida
u primarnoj strukturi DNK.
Chargaff-ova pravila glase:
Broj adeninskih nukleotida jednak je broju timinskih
nukleotida (A=T), a broj guaninskih nukleotida jednak je
broju citozinskih nukleotida (G=C)
Zastupljenost guaninskih i citozinskih nukleotida odnosno
adeninskih i timinskih nukleotida karakteristična je za
svaku biološku vrstu.
Chargaffova pravila
A=T
G=C
A+G=T+C
A+TG+C
%(G+C)  const.
Otkriće sekundarne strukture DNK
DIFRAKCIJA X-ZRAKA
Fotografija dobijena
difrakcijom X-zraka
na molekulima DNK
Watson-Crick-ov model strukture
DNK

1.
2.
3.
4.
Model se zasnivao na 4 dokaza:
Da se DNK sastoji iz nukleotida
(povezanih fosfodiestarskim vezama)
Da sastavi baza slede Chargaff-ova
pravila
Pažljivo zagrevanje nativne DNK
može izazvati vidljivu promenu
njenim fizičkim osobinama u cilju
dobijanja tkz. DENATURISANE DNK
ali bez kidanja kovalentnih veza.
Difrakcija vlakana DNK pomoću X zračenja potvrđuje spiralnu odnosno
helikalnu strukturu njenog molekula
Watson-Crick-ov model strukture
DNK
“ Naš model dezoksiriboukleinske kiseline
zapravo je par kalupa komplementarnih
jedan drugome. Zamišljamo da se pre
udvostručavanja vodonične veze prekinu,
a dva lanca odmotaju i odvoje. Tada svaki
lanac služi kao kalup-matrica na kom se
stvara novi lanac, tako da na kraju
nastanu dva para lanaca tamo gde je pre
bio samo jedan. Štaviše, sled parova baza
tačno će se udvostručiti.”
Šta čini strukturu DNK nezamenjivom u
procesima naslednosti?



Jednostavna građa- izgrađena je od samo 4 nukleotida
– Mala verovatnoća greške
Linearna i vrlo stabilna struktura, jedino visoka
temperatura utiče na denaturaciju DNK. Visoka
stabilnost DNK heliksa proističe od velikog broja
vodoničnih veza između baznih parova.
Komplementarnost azotnih baza u dvojnoj spirali DNK
omogućava da se na dve jednostruke spirale izvrši
dogradnja i obrazovanje 2 nove istovetne dvostruke
spirale.
Konformacija DNK menja se ( u jednu od 3 forme) zavisno od
fizičko – hemijskih uslova i interakcije sa molekulima u okruženju.
11 bp po okretu
ne postostoji u
in vivo
uslovima
U proseku
10.4 bp po
jednom
okretu
Cik-cak
Uvijena nalevo
Ima 12 bp po
okretu
Tabela: Broj parova nukleotida, masa i dužina DNK u hromozomima
haploidnih ćelija nekih vrsta organizama
Broj
parova
nukleotida
Masa
DNK (10-12 g)
Dužina
DNK (µm)
Čovek
2.87 × 109
3.3
990000
Goveda
2.51× 109
2.8
-
Kokoška
1.17 × 109
1.3
-
Vinska mušica
1.65 × 108
-
56000
Escherichia coli
4.22 × 106
0.0047
1360
Vrsta
Što se organizam nalazi na većem stupnju evolutivne lestvice,
sadrži više DNK. ????? (daždevnjaci 20× više od ljudi, višak
DNK usporio njihovu evoluciju)
Genomi prokariota i eukariota se razlikuju po broju
ponovljenih nizova nukleotida.
DNK – nosilac genetičkih
informacija u ćeliji

DNK u vidu genetičkog zapisa (kod = šifra)
prenosi nasledne informacije iz generacije u
generaciju
To se postiže:

Udvajanjem (duplikacijom = replikacijom) DNK
U toku udvajanja može doći do greške-genske mutacije.

Prepisivanjem

Prevođenjem
(transkripcijom)
molekula DNK na molekule iRNK
obaveštenja
sa
(translacijom) tih obaveštenja sa jezika
RNK na jezik aminokoselina, od kojih postaju proteini
Replikacija DNK
Najvažnije svojstvo mol.
DNK pri ćemu se od jedne
originalne DNK stvaraju 2
indentične kćeri.
(Polukonzervativni tip replikacije)
Posebni modeli DNK replikacije
Konzervativni tip replikacije
roditeljska DNK se potpuno održava a mol
“kćeri” su novosintetisani.
Disperzioni tip replikacije
obe DNK mol “kćeri” se sastoje od
novosintetisane DNK, dok se roditeljsaka
DNK razgrađuje.
Polukonzervativni tip replikacije
kod roditeljske DNK dolazi do razdvajanja
traka (pucanje H veza), a zatim svaka traka
služi kao osnova za obrazovanje po 1
nove trake – po principu
komplementarnosti
Replikacija
Replikacija se odvija na replikacijskoj viljušci i u njoj učestvuju
oba lanca.
U sintezi učestvuju enzimi:
1. DNK i RNK polimeraze,
2. egzonukleaze,
3. DNK ligaza
4. helikaza koja odmotava molekul DNK.

–
–
Enzimi helikaze kidaju vodinične veze između N baza dvostrukog lanaca u
molekulu DNK.
Odmotavanje lanca pomaže SSB protein koji drži lance odmotane da se
ponovo ne vežu (spetljaju).
Replikacija



RNK polimeraza (primaza) stvara RNK-prajmere (kratke segmente od
30 nukleotida; čije prisustvo je uslov za delovanje DNK polimeraze).
DNK polimeraza (DNK polimeraza I) sintetiše nove lance u smeru 5--3
Roditeljski lanac DNK koji je 5---3 smera služi kao predložak-osnova
za sintezu kratkih delova novog lanca DNK tzv. okazaki fragmenti,
koje enzim DNK-ligaza spaja u tzv. zaostajući lanac (koji će imati 3--5 smer). Dva dobijena lanca savršeno su identični, ali se ponekad u
tom procesu mogu pojaviti i greške (mutacije).
DNK se sastoji od jednog originalnog lanca i jednog lanca koji je
novo sintetisan. To se naziva semikonzervativna replikacija.