molekularna biologija 2013
TRANSCRIPT
MOLEKULARNA BIOLOGIJA• Proučava čuvanje, prenos i ekspresiju
(ispoljavanje) genetičke informacije• Građu i funkciju informacionih
molekula: nukleinskih kiselina i proteina• Procese u kojima se ostvaruje prenos
genetičke informacije: replikaciju, transkripciju i translaciju
Genetička informacija
• Redosled nukleotida u DNK koji određuje redosled aminokiselina u proteinu
NUKLEINSKE KISELINE• izgrađene od polinukleotidnih lanaca• DNK grade 2 polinukleotidna lanca• RNK gradi 1 polinukleotidni lanac
NUKLEOTID• Fosfatna grupa• Pentoza (dezoksiriboza ili riboza)• Azotna baza
Azotne baze• Purinske baze su
derivati purina• Pirimidinske baze su
derivati pirimidina
adenin
guanin
timin
citozin
uracil
Polinukleotidni lanac
• Više nukleotida povezanih
fosfodiestarskim vezama
3’
5’
Antiparalelnost lanaca DNK
Sparivanje komplementarnih azotnih baza
mala podjedinica ribozoma
podjedinice ribozoma
RNK
tRNK
Hromatin• Jedrov materijal• Izgrađen od DNK i baznih proteina histona
Hromozomi
• Najviši stepen kondenzacije hromatina• Vidljivi u deobi ćelije
Pakovanje hromatina
PROTEINI• U njihov sastav ulaze: C, H, O i N• Makromolekuli izgrađeni od 20 vrsta
amino-kiselina povezanih međusobno peptidnim vezama u linearni polipetidni lanac
Aminokiseline• Organska jedinjenja sa dve funkcionalne
grupe: amino-grupom (–NH2) i karboksilnom grupom (–COOH)
• Razlikuju se po R-grupi
Vrste aminokiselinaNepolarne
Polarne nenaelektrisane
Pozitivno naelektrisane
Negativno naelektrisane
Peptidna veza• Nastaje reakcijom između karboksilne
grupe jedne aminokiseline i amino-grupe druge aminokiseline
dipeptid
Primarna struktura proteina• Broj i redosled aminokiselina u
polipetpidnom lancu• Zapisana u genima
Sekundarna struktura proteina
• Dva oblika: α-heliks i β-ploča
• Uspostavlja se formiranjem vodoničnih veza između H i O peptidnih veza
α-heliks β-ploča
Tercijarna struktura proteina• Čine ga α-heliksi, β-ploče i “neuređeni”
delovi
Kvaternarna struktura proteina
• Više polipeptidnih lanaca gradi funkcionalan protein
kolagen hemoglobin
Konformacija- prostorni oblik proteina
• Globularni proteini loptasti – sferni
• Fibrilarni proteini končasti
Primarna struktura proteina
Sekundarna struktura proteina
Tercijarna struktura proteina
Kvaternarna struktura proteina
Funkcije proteina• Gradivna – strukturna: grade ćeliju i tkiva• Biokatalitička – enzimi – usmeravaju
biohemijske reakcije• Transportna – hemoglobin, transferin• Imunološka – antitela• Kontraktilna – aktin i miozin• Regulatorna – hormoni• Rezervna – albumin
GENOM• Ukupna DNK u ćeliji:
• u jedru – jedarni genom: 99.99% genoma• u mitohondrijama – mitohondrijalni genom• u hloroplastima – hloroplastni genom
• VELIČINA GENOMA izražava se kao broj baznih parova u haploidnoj ćeliji (C vrednost)
• Veličina genoma čoveka: 3,2 · 10 bp9
Prokariote
• Bakterije
• Haploidne ćelije (n)• Kružna DNK
Eukariote
• Protisti, biljke, životinje, gljive
• Diplodne ćelije (2n)• Linearna DNK
Hromozomi čoveka
Organizacija genoma
• Unikalna DNK: 45% genoma• Repetitivna DNK: 55% genoma
• Satelitska DNK – na krajevima hromozoma i u oblasti centromere (uloga: sparivanje hromozoma u mejozi, održavanje strukture hromozoma)
• Intermedijarna DNK– Familije gena (globinska familija, histonska familija)– Uzastopno ponovljeni geni (geni za rRNK i geni za
tRNK)– Mobilni genetički elementi – skoči-geni
Kodirajuća DNK
• DNK koja kodira proteine čini samo 3% genoma
• Ostala DNK – 97%
GEN• Deo DNK koji se transkribuje u
informacionu RNK, ribozomalnu RNK ili transportnu RNK
• Gen koji se transkribuje u iRNK nosi informaciju za sintezu proteina
Geni prokariota i eukariota
• Kontinuirani geni: sadrže samo kodirajuću DNK
• Diskontinuirani geni: sadrže egzone (kodirajuće delove) i introne (nekodirajuće delove)
transkripcija gena
isecanje introna i spajanje egzona
DNK
primarni transkript
iRNKtransport iRNK u citoplazmu
egzon intron egzon intron egzon
RNK
PRENOSGENETIČKEINFORMACIJE
Genetička informacija
• Redosled nukleotida u DNK koji određuje redosled aminokiselina u proteinu
• Prenos i ekspresija genetičke informacije ostvaruje se kroz procese:
Replikacije – sinteze DNKTranskripcije – sinteze RNKTranslacije – sinteze proteina
Prenos genetičke informacije
DNK DNK
RNK
PROTEIN
replikacija
transkripcija
translacija
Replikacija
CT
TG
CA
GA T
CGAACGT
CT
GAA
GTG
TCAC
G GC C
5‘-ATG-AGA-CAT-GTA-AGC-3' 3‘-TAC-TCT-GTA-CAT-TCG-5'
transkripcija
5‘-AUG-
DNK
iRNK
kodirajući lanac
matrični lanac
Transkripcija – sinteza RNK
AGA-CAU-GUA-AGC-3’
Prenos genetičke informacije
DNK DNK
RNK
PROTEIN
replikacija
transkripcija
translacija
Genetički kod
• Skup pravila za prevođenje redosleda nukleotida u redosled aminokiselina
• Čini ga 64 znaka – kodona• Kodon – niz od tri nukleotida (triplet
nukeotida) u iRNK koji određuje mesto jedne aminokiseline u proteinu
• SINONIMNI KODONI – kodoni koji kodiraju istu aminokiselinu
5' U C A G 3'
U
UUUPhe
UCU
Ser
UAUTyr
UGUCys
UUUC UCC UAC UGC CUUA
LeuUCA UAA STOP UGA STOP A
UUG UCG UAG STOP UGG Trp G
C
CUU
Leu
CCU
Pro
CAUHis
CGU
Arg
UCUC CCC CAC CGC CCUA CCA CAA
GlnCGA A
CUG CCG CAG CGG G
A
AUUIle
ACU
Thr
AAUAsn
AGUSer
UAUC ACC AAC AGC CAUA ACA AAA
LysAGA
ArgA
AUG Met ACG AAG AGG G
G
GUU
Val
GCU
Ala
GAUAsp
GGU
Gly
UGUC GCC GAC GGC CGUA GCA GAA
GluGGA A
GUG GCG GAG GGG G
GENETIČKI KOD
5‘-AUG-AGA-CAU-GUA-AGC-3'
translacija
iRNK
protein???
Translacija
NH2- -COOH
5' U C A G 3'
U
UUUPhe
UCU
Ser
UAUTyr
UGUCys
UUUC UCC UAC UGC CUUA
LeuUCA UAA STOP UGA STOP A
UUG UCG UAG STOP UGG Trp G
C
CUU
Leu
CCU
Pro
CAUHis
CGU
Arg
UCUC CCC CAC CGC CCUA CCA CAA
GlnCGA A
CUG CCG CAG CGG G
A
AUUIle
ACU
Thr
AAUAsn
AGUSer
UAUC ACC AAC AGC CAUA ACA AAA
LysAGA
ArgA
AUG Met ACG AAG AGG G
G
GUU
Val
GCU
Ala
GAUAsp
GGU
Gly
UGUC GCC GAC GGC CGUA GCA GAA
GluGGA A
GUG GCG GAG GGG G
GENETIČKI KOD
5‘-AUG-AGA-CAU-GUA-AGC-3'
translacija
iRNK
proteinNH2-Met-Arg-His-Val-Ser-COOH
Translacija
5‘-ATG-AGA-CAT-GTA-AGC-3' 3‘-TAC-TCT-GTA-CAT-TCG-5'
transkripcija
5‘-AUG-AGA-CAU-GUA-AGC-3'
translacija
DNK
iRNK
proteinNH2-Met-Arg-His-Val-Ser-COOH
kodirajući lanac
matrični lanac
Prenos genetičke informacije
• Genetička informacija je redosled nukleotida u DNK koji određuje redosled aminokiselina u proteinu
• Prenos i ekspresija genetičke informacije ostvaruje se kroz procese replikacije, transkripcije i translacije:
DNK DNK
iRNK
protein
replikacija
transkripcija
translacija
REPLIKACIJA DNK
Replikacija
• Replika – kopija• Proces udvajanja DNK• Odvija se u jedru, u S-fazi
ćelijskog ciklusa, pred ćelijsku deobu
Replikacija
CT
TG
CA
GA T
CGAACGT
CT
GAA
GTG
TCAC
G GC C
3’
5’
5’
3’
5’
3’
3’5’
3’5’
3’5’
vodeći lanac
zaostajući lanac
smer replikacijeOkazakijevi fragmenti
1. HELIKAZA raskida vodonične veze i raspliće lance DNK
2. DNK-polimeraza klizi po matričnom lancu u 3’ → 5’ smeru i sintetiše komplementarni VODEĆI lanac u 5’ → 3’ smeru
Vodeći lanac sintetiše se kontinuirano
3. Zaostajući lanac sintetiše se diskontinuirano: iz delova – Okazakijevih fragmenata
4. LIGAZA povezuje fragmente u zaostajućem lancu
Tok replikacije• Helikaza raskida vodonične veze i raspliće
lance DNK
• DNK-polimeraza klizi po matričnom lancu u 3’ → 5’ smeru i sintetiše komplementarni VODEĆI lanac u 5’ → 3’ smeru
• Vodeći lanac sintetiše se kontinuirano
• Zaostajući lanac sintetiše se diskontinuirano: iz delova – Okazakijevih fragmenata
• Ligaza povezuje fragmente u zaostajućem lancu
• Replikacija DNK je semikonzervativan proces jer se svaki molekul DNK sastoji od:– jednog starog
roditeljskog lanca i– jednog
novosintetisanog lancaroditeljski
lanac
novosintetisani lanac
Replikacija kod prokariota
• Replikacija počinje na jednom mestu (oridžinu) i odvija se istovremeno u oba smera, istom brzinom
• Završava se u terminacionom regionu nasuprot oridžinu
oridžin
terminacioni region
DNK
DNK DNK
Replikacija kod eukariota• Započinje na više mesta na hromozomu i
odvija se istovremeno u oba smera dok se replikativni mehurovi ne spoje
oridžini
replikativni mehurovi
TRANSKRIPCIJA• Proces sinteze RNK, odvija se u jedru
Tok transkripcije• Inicijacija: RNK polimeraza vezuje se za
promotor – deo DNK ispred gena koji će se prepisivati, stvara se tzv. transkripcioni kompleks
• Elongacija: RNK polimeraza klizi po matričnom lancu u 3’→5’ smeru i sintetiše komplementaran RNK lanac u 5’→3’ smeru.
• Terminacija: kada RNK polimeraza dođe do kraja gena, transkripcioni kompleks se raspada i novosintisana RNK (primarni transkript) se oslobađa
matrični lanac DNK
kodirajući lanac DNKRNK polimeraza
RNK
Smer transkripcije
ribonukleotid
Obrada primarnog transkripta• Isecanje introna i spajanje
egzona • Dodavanje 5’-kape (metil-
guanozin) na početak iRNK• Dodavanje poli-A repa na
3’kraj iRNK (oko 250 adeninskih nukleotida)
5’-mG-AUCGCCUAGCCACGUGCAUC-AAAAAAAAAAAAAAAAA-3’
transkripcija gena
isecanje introna i spajanje egzona
DNK
primarni transkript
iRNKtransport iRNK u citoplazmu
egzon intron egzon intron egzon
RNK
Obrada primarnog transkripta
TRANSLACIJA• Proces sinteze proteina, odvija se na
ribozomima• U ovom procesu redosled kodona u iRNK
prevodi se u redosled aminokiselina u proteinu
• U procesu učestvuju sve tri vrste RNK
RIBOZOMvelika
podjedinica
mala podjedinica
POLIRIBOZOM
iRNK
– više ribozoma povezanih iRNK koja prolazi između male i velike subjedinice
Izgrađene od rRNK i proteina
POLIRIBOZOM
Transportne RNK• Oblik slova “L”• Na jednom kraju nosi aminokiselinu, a na
drugom ima antikodon – niz od tri nukleotida koji je komplementaran kodonu na iRNK
ANTIKODON
AMINOKISELINA
Phe
A A G
Arg
G C U
Lys
U U U
Vezivanje tRNK i iRNKMet
U A C
Val
C A A
Gly
C C G
Asp
C U A
Ser
U C A
iRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A Akodon
antikodon
1. INICIJACIJA
2. ELONGACIJA
3. TERMINACIJA
Translokacija
Met
U A C
Val
C A A
iRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A
formiranje peptidne veze
AP
INICIJACIJA
START
Val
C A A
Met
U A CiRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A
Gly
C C G
ELONGACIJA
Gly
C C G
Met Val
C A AiRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A
ELONGACIJA
Asp
C U AGly
C C G
Met Val
iRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A
ELONGACIJA
Met Val Gly Asp
5’ A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A U G A
iRNK
3’
C C G
Asp
C U A
Ser
U C A
ELONGACIJA
Met Val Gly Asp Ser Phe
5’ A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A U G A
iRNK
3’
ELONGACIJA
Met Val Gly Asp Ser Phe Arg
5’ A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A U G A
iRNK
3’
ELONGACIJA
Met Val Gly Asp Ser Phe Arg
5’ A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A U G A
iRNK
3’
ELONGACIJA
U U U
TERMINACIJA
Met Val Gly Asp Ser Phe Arg Lys
oslo
bađa
jući
pr
otei
n
5’ A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A U G A
iRNK
3’
PROTEIN
iRNK
5’ 3’A U G G U U G G C G A U A G U U U C C G A A A A
SINTETISAN PREMA UPUTSTVU U iRNK
STOP
• Translacija je proces sinteze proteina koji se odvija na ribozomima. U translaciji učestvuju sve tri vrste RNK. Informaciona RNK nosi uputstvo (niz kodona) za sintezu polipeptidnog lanca. Ribozomalne RNK grade ribozome. Transportne RNK transportuju do ribozoma aminokiseline od kojih će nastati protein. Transportne RNK na jednom svom kraju imaju vezanu aminokiselinu, a na drugom kraju antikodon – niz od tri nukleotida koji je komplementaran kodonu u iRNK.
Translacija se odrigrava u tri faze:
• 1. U fazi inicijacije sklapa se ribozom od velike i male podjedinice, iRNK prolazi između podjedinica tako da se prvi kodon nalazi naspram P-mesta, a drugi naspram A-mesta. U P-mesto ribozoma dolazi tRNK koja nosi aminokiselinu metionin. U A-mesto dolazi tRNK sa antikodonom koji je komplementaran 2. kodonu.
• 2. U fazi elongacije sintetiše se polipeptid. Između aminokiseline na P-mestu (Met) i A-mestu formira se peptidna veza. Veza između Met i njegove transportne RNK se raskida i tRNK napušta P-mesto. Posle ovoga dolazi do translokacije: pomeranja ribozoma za jedan kodon prema 3'-kraju iRNK tako da se tRNK sa vezanim aminokiselinama sada nalazi u P-mestu, a A-mesto ostaje slobodno. Na A-mesto tada dolazi tRNK čiji je antikodon komplementaran 3. kodonu. Ceo proces (ugrađivanja aminokiselina u polipetid) ponavlja se sve dok se na A-mestu ne nađe STOP-kodon.
• 3. Terminacija: kada se na A-mestu nađe STOP-kodon (za koji ne postoje odgovarajuće tRNK), za A-mesto se vezuje oslobađajući protein koji zaustavlja translaciju. Tada dolazi do raskidanje veze između tRNK na P-mestu i polipeptida, sintetisani polipeptid se oslobađa u citoplazmu, ribozom se raspada na podjedinice i translacija se završava.