NUKLEINSKE KISELINE

1. NUKLEINSKE KISELINE Učenik: Todorović Dušan 4/3 Profesor: Stevanović Gajović Vesna

2. NUKLEINSKE KISELINE • 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.

4. NUKLEOTIDI • 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)

5. GRAĐA NUKLEOTIDA • Pentoza – Šećer sa 5 C atoma • Azotna baza • Ostatak fosforne kiseline • U sastav nukleotida ulaze tri osnovne komponente: Azotna baza Pentoza Fosfatni ostatak

6. ŠEĆERI PENTOZE U DNK I RNK • 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.

7. AZOTNE BAZE • To su heterociklične organske baze. • Azotne baze se dele na purinske i pirimidinske. • Vezane su za pentozu N-glikozidnom vezom. PURINSKE AZOTNE BAZE PIRIMIDINSKE AZOTNE BAZE • Sastoje se iz jednog šestočlanog i jednog petočlanog prstena. • Adenin (A) i guanin (G) • N-glikozidnu vezu ostvaruju preko N9 atoma. • 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. Adenin (A) Guanin (G) Citozin (C) Timin (T) Uracil (U)

8. FOSFATNI OSTATAK • 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.

9. FOSFATNI OSTATAK • 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.

10. POLINUKLEOTIDNI LANAC • 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. Catoma, pa je taj kraj označen kao 3' kraj.

11. DEOKSIRIBONUKLEINSKA KISELINA - DNK

12. DNK-DEOKSIRIBONUKLEINSKA KISELINA • 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

13. Princip komplementarnosti • 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 G-C parovi na kojima se zasnivaju svi procesi u kojima učestvuje DNK.

14. Primarna struktura 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 4x1010bp (baznih parova). • DNK čoveka ima dužinu od 2 x 1010bp. • Ukupna dužina DNK samo jedne ćelije sisara iznosi 2m. Kao takva ne bi mogla da stane u ćeliju i nebi 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.

15. Sekundarna struktura DNK • 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.

16. Opisani model je ujedno i najčešća forma molekula DNK u prirodi, označena i kao B forma. • Međutim DNK se javlja još u dva oblika: A FORMA Z 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)

17. A B Z

18. Tercijarna struktura DNK - Hromatin • 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.

19. HISTONSKI PROTEINI NEHISTONSKI 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. • 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.

20. Pakovanje DNK u hromozom • 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.

22. 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.

23. Euhromatin i heterohromatin • Na osnovu morfoloških i funkcionalnih osobina postoje dva tipa hromatina: Heterohromatin Euhromatin • Tamniji je. • Kondenzovaniji je. • Genetički je neaktivan. • Postoje 2 tipa heterohromatina konstitutivni i fakultativni • Svetliji je. • Rastresitiji je. • Ranije se replicira. • Sadrži genetički aktivne regione. 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.

24. Hromozomi • 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).

25. RNK – RIBONUKLEINSKA KISELINA

26. RNK-ribonukleinska kiselina • 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.

27. 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

28. Informaciona RNK - iRNK • 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%.

29. Transportna RNK - tRNK • tRnk prenosi aminokiseline do ribozoma, gde se vrši sinteza proteina. • Veća grupa RNK, čine 10-15% 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.

31. Ribozomska RNK - rRNK • 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

32. Antisensna RNK • 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.

33. Ostale vrste RNK • 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.

34. REPLIKACIJA DNK

35. Replikacija • 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.

36. 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.

37. Replikacija kod prokariota • 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.

38. Replikacija kod eukariota • 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.

39. Vodećilanac • 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.

40. Vodeći lanac • 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.

41. Zaostajući lanac • 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.

43. Zaostajući lanac • 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.

44. TRANSKRIPCIJA

45. Gen • 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.

46. 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.

47. Transkripcija • 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.

48. Transkripcioni mehur • 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. RNK Transkripcioni mehur

49. Mehanizam transkripcije • 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.

50. RNK polimeraza transkriptaza Kraj gena – 6 adenina u nizu 5’ kraj lanca RNK se oslobađa Ribonukleotidi