molekularna biologija 2013

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.