1. STRUKTURA NUKLEINSKIH
KISELINA
Nukleinske kiseline, dezoksiribonukleinska
(DNK) i ribonukleinska
(RNK),
svih zivih sistema (od virusa do coveka) su od neprocenjivog znacaja jer predstavljaju
,.,fentar naslednih informacija. Procesima samoreplikacije nasledne inforrnacije se prenose
sa jedne generacije na drugu, a u, toku transkripcije i translacije geneticka informacija se
prepisuje i prevodi u molekuleproteina
koji uslovljavaju pojavu razlicitih osobina
organizama i omogucuju njegov opstanak.
Nasledni materijal vjrusa moze biti ili RNK ili DNK, dok sxi ostaii organizmi .
poseduju sarno DNK kao geneticki materi' al. U celijama prokariota (bakterija) molekul
DNK je uronjen u citoplazmu i naziva se nukleoid, dok je u eukariota DNK vezana za
proteine i u vidu hromatinskih niti smestena u nukleoplazmu.
5'
(c) polnukleotklni
lanac
(a) komponente ilukleotlda
Slika 1.1. Komponente nukleotida u DNK i RNK
1.1. STRUKTURA
DEZOKSIRIBONUKLEINSKE
KISELINE
(DNK)
DNK je polimer sastavljen od velikog broja monomera, tj. nukleotida u ciji sastav
ulaze tri komponente:
azotne baze koje mogu biti: purinske kao sto su adenin i guanin, i
pirimidinske kao citozin i timin
secer pentoza dezoksiriboza
fosfatna grupa
Azotna baza se povezuje za dezoksiribozu te nastaje nukleozid, a kada se za
dezoksiribozu nadoveze i fosfatna grupa nastaje osnovna jedinica grade nukleinskih
kiselina, nukleotid (nukleotid je ustvari nukleozid fosfat). Nukleotidi su medusobno
povezani u polinukleotidni lanac (S1. 1.1 i 1.2). Pri tome se uspostavljaju fosfodiestarske
veze izmedu fosfatne grupe i 5' atoma ugljenikajedne dezoksiriboze i hidroksilne grupe na
3' ugljenikovom atomu sledece dezoksiriboze. Tako su tenninalne grupe svakog
polinukleotidnog lanca 5'-fosfat (5'-P) i 3'-hidroksi (3'-OH).
Ova polinukleotidna lanca su rnedusobno povezana vodonikovim vezama koje se
obrazuju izmedu azotnih baza, i to uvek izmedu jedne purinske i jedne pirimidinske. Prema
principu komplementarnosti, uvek se sparuju adenin sa timinom preko dye vodonikove
veze, a citozinsa guaninom preko tri veze. Na ovaj nacin se odrzava stalno rastojanje medu
komplementarnim bazama. Ako jedan lanac DNK sadrzi haze AGGTCCG, tada, prema
pravilu sparivanja baza drugi lanac mora imati baze TCCAGGC, i dva lanca su tada
komplementarna.
Lanci su spiralno uvijeni oko imaginarne ose u dvostruku zavojnicu. Pun zavoj
(360°) se pojavljuje na svakih 10 nukleotidnih parova, tj. na rastojanju od 3,4 nm (S1.1.4),
pa je prema tome razmak izmedu dva susedna nukleotida 0,34 nm. Dva polinukleotidna
lanca DNK su okrenuta u suprotnom smeru, oni su antiparalelni, jedan se prostire u praveu
5'-3', a drugi 3'-5'. Gradu molekula DNK utvrdili su Watson i Crick 1953 godine.
Nizom eksperimenata utvrdeno je da DNK:
poseduje sposobnost samoreplikaeije
sadrzi geneticku infonnaciju (sadrzanu u redosledu cetiri nukleotida)
moze da se menja, mutira.
Glavni deo DNK eukariota se nalazi u jedru gde ulazi u sastav hromozoma, a u
malimkolicinama moze se naci i u organelama kao sto su mitohondrije (i hloroplasti kod
hiljaka). Vecina molekula DNK su veoma dugacki, sastavljeni od i do milion baznih
parova, tejedan takav molekul DNK sadrzi velik broj gena Najcesce su molekuli DNK u
celiji U opisanoj B fonni, a pored nje postoje i Z i A forme koje su rede zastupljene u celiji,
a medusobno se neznatno razlikuju
Molekuli DNK su medju najvecim u prirodi, molekulske mase inekoliko milijardi
Daltona, odnosno kod sisara su velicine 11x 109kb. (bazni par se oznacava bp, a .lOOObpje
kilobaza kb).
.
Chargaff je 1951. godine ustanovio molarni odnos azotnih baza molekulu DNK po
kome:
Postoji jednaka zastupljenost baza adenina i timina (tj. A=T), kao i citozina i
guanina (C=G). Odnosno kolicina purinskih baza je jednaka kolicini pirimidinskih baza.
Dok odnosi parova AT/GC mogu biti razliciti kod razlicitih organizama. Ookazano je da
organizmi na visem evolucionom nivou imaju u proseku vise AT parova nego GC (na
primer kod Ijudi je taj odnos 1,4), zbog razvoja regulatornih regiona u ciji sastav vecinom
ulaze ove baze
Fosfodlestarska
veza.
baze
HL\
~~H
H
adenln (A)
'~~,
DNK nukleetld
"N_H
H
guanln (G)
Slika 1.2. Polinukleotidni lanae DNK
·····'·'·H-
o
tlrnln (T)
aden In (A)
N-H .... ·· ..·O
I
H
guanln (G)
cltozln (C)
Slika. 1.3. Komplementarnost baza u DNK
Slika 1.4. Model strukture rnolekula DNK
1.2. REPLlKACIJA
DNK
Proces replikacije DNK odvija seprerna semikonzervativnom
rnodelu u kome
~aki lanac DNK sluii kao rnatrica za sintezu novog lanca DNK (SI. 1.5).
Da bi otpocela replikacija DNK proteini despiralizacije razmotavaju rnolekul DNK,
a zatim deluju:
DNK helikaza koja raskida vodonicne veze pa se lanci DNK razdvajaju
obrazuju formu replikacione viljuske,
proteini koji destabilizuju molekul DNK (HDB Helix Destabilizing Proteins) i
DNK topoizorneraze koje uklanjaju superzavoje nastale tokom razdvajanja
lanacaDNK.
Replikacija kod eukariota zapocinje istovremeno na vise rnesta duz rnolekula DNK
i tece u oba pravca, pa se duz hromozoma moze uociti istovremeno po nekoliko
replikacionih viljusaka (S1. 1.6).
Novi lanei DNK se sintetisu pod dejstvorn RNK polimeraze (primaze) koja
dovodi RNlC nukleotide formirajuci RNK pocetnicu (RNA primer). Povezivanje DNK
nukleotida se odvija uvek u praveu 5' -3'. Posto su lanci u molekulu DNK suprotnog smera,
sinteza novih lanaca na njima se odvija na razlicite nacine. Na jednom starom laneu se na
RNK pocetnicu nadovezuju DNK nukleotidi uz pomoc enzima DNK polimeraze III. Ovaj
lanac, koji se sintetise prema dnu replikacione viljuske zove se vodeci. Na drugorn starorn
laneu se sintetise nekoliko RNK pocetnica (mali rnolekul RNK od oko 10 nukleotida), a na
njih se nastavljaju mali fragmenti DNK (od oko 100-200 nukleotida) nazvani Okazaki.
Kasnije se RNK pocetnice isecaju, praznine se popunjavaju DNK nukleotidima uz pomoc
DNK polimeraze 1. Sve nukleotide zatim povezuje u kontinuiran lanac fosfodiestarskim
vezama enzim DNK ligaza. Na ovaj nacin forrnira se zaostaju6i lanac DNK.
Nakon replikacije DNK dobija se hromozom koji sadrzi dye hromatide (dva
molekula DNK) koje se drze skupa u centromeri. Ovakav hromozom ulazi u celijsku
deobu.
Slika 1.5. Semikonzervativan nacin replikacije DNK
novJ DNK lanac
$"
S'
~lanacDNK
zaastaJOOI
IanacDNK
.
./
Okazald fragment
. DNK pollmeraza.
Slika 1.6. Replikacija DNK
1.3. STRUKTURA RIBONUKLEINSKE KISELINE (RNK)
Postoji vise vrsta ribonukleinskih kiselina koje se medusobno razlikuju po broju
nukleotida, strukturi i funkciji. Generalno moze se reci da su molekuli RNK
jednolancani, kraci od DNK (velicine do hiljadu nukleotida), prisutni su u
metabolicki aktivnim celijama, a mogu se naci u jedru, citoplazmi, u
mitohondrijama (i u hloroplastima biljaka). Gradeni su od nukleotida koji su
medjusobno povezani fosfodiestarskim vezama (kao i u molekulu DNK). Svaki
nukleotid sadrzi (S1. 1.1 i 1.7) :
azotnu bazu, purinsku, adenin iIi guanin, i pirimidinsku citozin Hi uracil
pentozni secer ribozu i
fosfatnu grupu
Informaciona
RNK (iRNK)
Informaciona RNK (iRNK) se prepisuje sa gena. pod uticajem RNK polimeraze
II. Ovako nastala iMTK zove se primarni transkript i podleze daIjoj obradi koja se sastoji
u modifikovanju krajeva i isecanju nekodirajucih sekvenci introna.
Modifikovanje krajeva podrazumeva:
- dodavanje metiliranih guanozina za 5' kraj pri cemu se obrazuje tzv. "cap" kraj,
koji je odgovoran za povezivanje sa ribozomom
- dodavanje poliadenozin sekvence od oko 200 nukleotida na 3' kraj - poli-A
sekvenca neophodna za stabilnost iRNK.
Primami prepis iR..NK se sastoji od egzona, kodirajucih sekvenci koje se prevode u
polipeptidni lanac, i introna, nekodirajucih sekvenci. Tokom obrade primamog transkripta
(S1. 1.8) introni se vrio precizno isecaju endonukleazama i odbacuju, dok se egzoni spajaju
u iRNK koja izlazi iz jedra u citoplazmu. Broj introna po molekulu RNK varira od gena do
gena. Nizi eukarioti imaju manje introna i sekvence su im krace. Formirana iRNK pocinje
cap krajem, zatim sledi pocetni kodon AUG, pa niz razlicitih nukleotida, i na kraju jedan
od stop kodona (UAA, UAG, UGA) i poli-A kraj.
iRNK prenosi inforrnaciju sa DNK do ribozoma i predstavljamatricu
za sintezu
'polipeptidnog lanea. Ova RNK je po velicini i strukturi najraznovrsnija. Metabolicki vek
iRNK kod sisara iznosi oko 5 dana.
Cumin IC;
Slika 1.7. Struktura RNK
Slika 1.8. Obrada primamog transkripta
Ribozomalna RNK (rRNK)
Ribozomalna RNK (rRNK) moze da predstavlja i do 80% celokupne RNK u
celiji. Ona je najkrupnija, molekulske mase 106. Zajedno sa proteinima ucestvuje u
izgradnji ribozoma. Sinteza rRNK se odvija unutar jedra, tj. u nukleolusnom
organizatoru jedarceta (NOR-u) pod uticajem RNK polimeraze I. Geni za rRNK. se
nalaze u velikom broju kopija (srednje ponovljiva DNK), smesteni jedan do drugog, u
tandemskim nizovima, a razdvojeni su "spacer" sekvencama jedan od drugog. U jedarcu su
nadene 45 S rRNK koje predstavljaju primarni ribozome (tj. prekursore manjih rRNK).
One se pod dejstvom nukleaza postepeno razgraduju na manje ribozome rRNK 28 S, 18 S
i 5,8 S koje bi se mogle oznaciti kao prave rRNK (Sl. 1.9). Kod ljudi se geni za navedene
rRNK nalaze na akrocentricnim hromozomima (13, 14, 15, 21, 22), dok se 5S rRNK
prepisuje uz pomoc RNK polimeraze III sa gena smestenih na hromozomu 1. Razlicite
rRNK se u jedru povezuju sa proteinima u male i velike subjedinice ribozoma, koje izlaze
iz jedra, i u citoplazmi obrazuju ribozome (Sl. 1.10). Metabolicki vek rRNK je oko
nekoliko minuta.
,',<-
Slika 1.9. Formiranjerazlicitih
rRNK
8
2BS rRNK (4.7 kb)
r
,
nUkleollda)
--.~)w
\
nUkl.eotida)
'~4ii
+
-50pmmlne
__
kompletnl r1bomm
slsara (80S)
.•.
55 rRNK{120
/
-32nm
L
+
5_85 rRNK (156
""22nm·,
~
•• 188 rRNK{1.9kb)
+
-35 proteina·
40S subjeclnloa
Slika 1.10. Grada ribozoma
Transportna
RNK (tRNK)
Transportna
RNK (tRNK) sacinjava oko 15% od ukupne kolicine RNK u celiji,
Sintetise se na srednje ponovljivim delovima DNK, i nakon obrade izlazi iz jedra u
citoplazrnu. Gradena je od 70 do 90 nukleotida koji se, sarno u odredenim regionima,
medusobno povezuju i grade dvolancane segrnente (Sl. 1_11). Ona ima najmanji koeficijent
sedimentacije, sarno 4S. tRNK ima oblik nepravilnog lista deteline (tri petlje, i jos jedna
mala promenljive velicine). Na 3' kraju, tzv. akceptorskom mestu se nalazi triplet CCA za
koji se vezuje aminokiselina koju tRNK transportuje na odredeno mesto u ribozomu. Na II
petlji se nalazi triplet nesparenih nukleotida nazvan antikodon (koji je komplementaran
kodonu sa iRNK), a ostale petlje sluze za vezivanje enzirna aminoacil-tRNK-sintetaze
(pod cijim se dejstvom vezuju aminokiseline za tRNK), i za vezivanje za rRNK male
subjedinice, Za svaku od 20 aminokiselina postoji po jedna tRNK, a smatra se da je svaka
zastupljena 3-4 puta u celiji.
Sl. 1.11 Sekundarna i tercijarna struktura tRNK
Sem ova tri osnovna tipa RNK u celiji se mogu naci :
snRNA (small nuclear RNA) - male nuklearne RNK- je klasa malih RNK molekula koje
. su nadene u nukleusu eukariotskih celija, Njihova transkripcija vrsi se pornocu RNK
polirneraze I ili RNK polimeraze III. snRNK su ukljucene u vazne procese u celiji kao sto
su: splajsovanie RNK (isecanje introna iz primamog transkripta), regulacija transkripcionih
faktora i odrzavanje telomera. One se uvek nalaze u kompleksu sa specificnim proteinima,
i takvi kompleksi nazivaju se mali nuklearni ribonukleoproteini (snRNP - small nuclear
ribonucleoproteins ).
snoRNA (Small nucleolarRNAs) - male nukleolarne RNK- klasa malih RNK molekula
koje se nalaze u jedru eukariota i upravljaju hemijskim modifikacijama rRNK u
nukleolusu, al i drugih RNK molekula kao sto su tRNK i snRNK.
miRNA (micro RNAs) - jednolancane RNK molekule, duge oko 21-23 nukleotida, spadaju
u grupu ne kodirajucih RNK. Vezuju se sa iRNK, jer su delimicno komplementarne sa
jednom ili vise iRNK molekula, i imaju ulogu u regulaciji genske ekspresije.
Antisense RNA (aRNA) - je jednolancana RNK molekula komplementarna sa iRNK
molekulom koji se transkribuje u celiji. Antisense RNK moze da se ubaci u celiju da bi se
sprecila transkripcija komplementarne iRNK,jer ce hibridizacija aRNK sa iRNK
predstavljati fizicku barijeru za transkripcionu maSinerijusnRNK (small nuclear) poseduju
visok sadrZaj uracila pa se nazivaju iuRNK.-
:": .,
Download

01 Struktura nukleinskih kiselina