Nature, Vol. 171, p.737, April 25, 1953

MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid

RNA I DNA: TIJEK GENETIKE INFORMACIJE

We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest. It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. We are much indebted to Dr. Jerry Donohue...April 2. J. D. Watson F. H. C. Crick1962

Nukleinske kiseline sastoje se od etiri tipa baza povezanih na eerno-fosfatnu okosnicubazai bazai+1 bazai+2

Purini i pirimidini koji izgra uju DNA i RNAPURINI

eerfosfat

eerfosfat

eerfosfat

eerfosfat

eerfosfat

purin PIRIMIDINIriboza

adenin

gvanin

pirimidindeoksiriboza

citozin

uracil

timin

Duine baze u DNA preteito se nalaze u keto tautomernom obliku

duina baza + eer = nukleozid nukleozid + fosfat = nukleotid

1

Nomenklatura duinih baza, nukleozida i nukleotidaAtom duika na poloaju jedan (N1) pirimidina vezan je glikozidnom vezom na anomerni atom (deoksi)ribozeDuina baza adenin (A) Nukleozid adenozin deoksiadenozin Nukleotid adenozin-5'-fosfat (AMP) adenozin-5'-difosfat (ADP) adenozin-5'-trifosfat (ATP) deoksiadenozin-5'-fosfat (dAMP) gvanozin-5'-fosfat (GMP) gvanozin-5'-difosfat (GDP) gvanozin-5'-trifosfat (GTP) deoksigvanozin-5'-fosfat (dGMP) citidin-5'-fosfat (CMP) citidin-5'-difosfat (CDP) citidin-5'-trifosfat (CTP) deoksicitidin-5'-fosfat (dCMP) uridin-5'-fosfat (CMP) uridin-5'-difosfat (CDP) uridin-5'-trifosfat (CTP) deoksitimidin-5'-fosfat (dTMP) deoksitimidin-5'-difosfat (dTDP) deoksitimidin-5'-trifosfat (dTTP)

gvanin (G)

gvanozin deoksigvanidin

citozin (C)

citidin deoksicitidin

Atom duika na poloaju devet (N9) purina vezan je glikozidnom vezom na anomerni atom (deoksi)riboze

uracil (U)

uridin

timin (T)

deoksitimidin

Kemijska struktura nukleinskih kiselina Vie nukleotida povezanih fosfodiesterskom vezom ine oligonukleotide

DNA nema 2-OH skupinu

DNA je dvolanana molekula s bazama u unutranjosti, a eerno-fosfatnom okosnicom na vanjskoj strani uzvojnice

U strukturi DNA A se uvijek nalazi nasuprot T, a G nasuprot C(Parovi baza prema Watsonu i Cricku)gvanin citozin

Chargaffovo pravilo: A:T=G:C

adenin

timin

2

Dvije niti u molekuli DNA su antiparalelne

Kad strukturu nukleinskih kiselina prikazujemo u skraenom obliku, ukoliko nije drugaije navedeno, smjer je uvijek 5 35-ATTGCGTA-3 3-ATGCGTTA-5 ATTGCGTA = 5-ATTGCGTA-3

5-ATGCTGCAT-3 3-TACGACGTA-5

Model molekule DNA po Watsonu i Cricku desna dvostruka uzvojnica promjera oko 2 nm baze su smjetene u unutranjosti, fosfati i eeri na vanjskoj strani uzvojnice ravnine baza priblino su okomite na os uzvojnice ravnine u kojima lei deoksiroboza gotovo su okomite na ravnine baza razmak izme u susjednih baza je 0,34 nm parovi baza me usobno su zakrenuti za 36

Hidrofobne interakcije izme u susjednih parova baza u DNA daju dodatnu vrstinu dvostrukoj uzvojnici slaganje baza (engl. stacking)

Mathew Meselson i Franklin Stahl su 1958. godine pokazali da je replikacija DNA semikonzervativna

DNA je vrlo dugaka molekula haploidni genom ovjeka ima 3,164,700,000 parova baza 1 m (promjer jezgre je oko 10 m) zbog slaganja parova baza DNA je razmjerno kruta molekula grupa bazinih proteina (histona) sudjeluje u organizaciji strukture DNA osnovna strukturna jedinica je nukleosom po dva histona H2a, H2b, H3 i H4 140 pb dva puta je omotano oko histona histon H1 vee se na DNA duine 40 - 100 pb izme u dva nukleosoma 1013 stanica x 2 m = 182.000.000.000 km (610 puta do sunca i nazad)

3

Denaturacija DNA je proces u kojem se razdvajaju dva komplementarna lanca, a molekula prelazi u konformaciju nasuminog klupka

U sljedeih 60 sekundi svatko od nas sintetizirat e 100.000 km nove DNA

Denaturirana DNA jae absorbira svjetlost od dvolanane DNA

Temperaturu pri kojoj je 50% molekula DNA denaturirano nazivamo temperatura mekanja (Tm)

denaturacija DNA je kooperativni proces

Jednolanane molekule DNA i RNA mogu poprimiti sloene prostorne strukture

Pri oblikovanju prostornih struktura nukleotidi tvore i nestandardne vodikove veze

molekula DNA

molekula RNA

Najjednostavnija i najea struktura koju zauzimaju jednolanane DNA i RNA je oma s peteljkom (engl. stem-loop)

Davno u evoluciji RNA je vjerojatno i pohranjivala informaciju i katalizirala njezin prijenos. Katalitiki aktivne RNA znaajne su i danas, primjerice u ribosomima.

crno sparivanje baza prema Watsonu i Cricku zeleno nestandardno sparivanje baza

4

U DNA je uracil zamijenjen timinom kako bi se razlikovao od deaminiranog citozina

DNA se umnaa polimerazama koje informaciju uzimaju iz kalupa

DNA-polimeraze kataliziraju stvaranje fosfodiesterske veze

Genetika informacija organizma sadrana je unutar genoma Genom ukupna DNA organizma virusi - jednolanana ili dvolanana DNA ili RNA svi stanini organizmi - dvolanana DNA veliina genoma raste prema viim organizmima (bakterija - 3 Mpb; ovjek 3.000 Mpb) Gen funkcionalna jedinica genoma odsjeak DNA koji kodira za polipeptidni lanac ili molekulu RNA Ekspresija gena nastanak genskog produkta Sredinja dogma molekularne biologije prijenos genske poruke: DNA RNA PROTEIN

ovjek ima oko 30.000 gena

Pan troglodytes30.000 gena 98% homologije

Mus musculus30.000 gena 90% homologije

Danio rerio30.000 gena 85% homologije

D. melanogaster13.600 gena 36% homologije

A. thaliana25.000 gena 26% homologije

S. cerevisiae6.275 gena 23% homologije

C. elegans19.000 gena 21% homologije

E. coli4.800 gena 7% homologije

Genetiki materijal nekih virusa je RNA

reverzna-transkriptaza

reverzna-transkriptaza

reverzna-transkriptaza

Koliko se ljudi me usobno razlikuju?

Manje od 0.1%

virusna RNA

RNA-DNA hibrid

DNA-prijepis virusne RNA

dvolanana virusna DNA

U retrovirusima tijek genetike informacije ide od RNA ka DNA. Virusni enzim reverzna-transkriptaza RNA prvo prepisuje u DNA, zatim razgra uje RNA lanac hibridne DNA-RNA molekule i na kraju sintetizira drugi lanac DNA. Takva dvolanana DNA ugra uje se u genom domaina.

5

Tri tipa molekula RNA sudjeluju u ekspresiji gena Glasnika RNA (mRNA) prenosi informaciju za biosintezu proteina u citoplazmu velik broj razliitih molekula u malom broju kopija

Svu staninu RNA sintetiziraju RNApolimeraze na osnovi informacije u DNA

Transportna RNA (tRNA) ne prevode se u protein slui kao adaptor u prevo enju genetikog koda postoji oko 40 razliitih tRNA (velik broj kopija)

Ribosomna RNA (rRNA) ne prevodi se u protein strukturne komponente ribosoma 80% ukupne mase RNA u staniciZa sintezu RNA potrebni su: Kalup (preferirani kalup je dvolanana DNA, jednolanana DNA isto moe biti kalup, RNA i RNA/DNA hibridi ne mogu biti kalup) Aktivirane pretee (ATP, GTP, CTP i UTP) Dvovalentni kationi (Mg2+ ili Mn2+)

ima katalitiku ulogu u biosintezi proteina

RNA je jednolanana molekula Transkripcija - prepisivanje DNA u RNA lokalna zahtijeva tono prepoznavanje signala za poetak i zavretak sinteze RNA

asimetrina prepisuje se samo nekodirajui lanac - kalup (3 5) novonastala RNA jednaka je kodirajuem (smislenom) lancu, a komplementarna kalupuZa razliku od DNA, RNA ima OH skupinu na 2 C atomu

5 ACTGGGCATGCTAGAATGCAGGTAATTGCCG

3 kodirajui lanac 5 nekodirajui lanac ili kalup 3

DNA

3

TGACCCGTACGATCTTACGTCCATTAACGGC

mRNA

5

ACUGGGCAUGCUAGAAUGCAGGUAAUUGCCG

Promotor je signal za poetak transkripcijekalup DNA -35 regija Pribnowljev slog poetak RNA

Transkripcija prestaje na specifinim mjestima za prestanak transkripcije

prokariotski promotor

kalup DNA CAAT-slog (ponekad je prisutan) TATA-slog (Hognesov slog) poetak RNA

eukariotski promotor

Slijed nukleotida u svim promotorima nije identian, ve postoje odre ene slinosti na osnovi kojih je modeliran usuglaeni slijed (engl. consensus sequence). Gotovo svi promotori od usuglaenog slijeda razlikuju se u svega jednom ili dva nukleotida.

Stvaranje specifine strukture koju nazivamo ukosnica (engl. hairpin) iza koje se nalazi niz uridina signal je za prestanak transkripcije kod E. coli.

6

tRNA je adaptor u sintezi proteina

1961. M. Nirnberg i H. Matthaei otkrivaju genetiki kod

Slijed od tri nukleotida odre uje jednu aminokiselinu.Na 3-kraju tRNA nalazi se esterificirana aminokiselina, a antikodon na tRNA prepoznaje specifini kodon u mRNA.

Genetiki kod je skup pravila koji odre uje prevo enje slijeda nukleotida u slijed aminokiselina

Genetiki kod je degeneriran jer 64 kodona odre uju svega 20 aminokiselina Sve aminokiseline osim Met i Trp kodirane su s vie od jednim kodonom Veina sinonima razlikuje se samo u zadnjoj bazi u tripletu

Degeneriranost koda minimalizira uinke mutacija U nedegeneriranom kodu skoro svaka mutacija bi rezultirala stop-kodonom

Degeneracija omoguava varijabilnost GC sastava Bakterije imaju od ispod 30% do preko 70% GC

Glasnika RNA sadrava signale za zapoinjanje i prestanak translacijebogata purinom sparuje se s ribosomnom RNA

Genetiki kod je gotovo univerzalan

kodon

standardni kod

mitohondrijski kod

prokariotski START-signalPrvi AUG od 5 kraja kapa

eukariotski START-signal

formil-metionin

7

Veina eukariotskih gena su mozaici egzona i introna

Introni se uklanjaju prekrajanjem (engl. splicing) mRNAintroni

introni

-globinski gentranskripcija sinteza 5-kape poliadenilacija

parova baza -globinski genkapa

Usporedba sljedova visoko-ouvanih gena kod raznih organizama pokazala je da su introni vjerojatno postojali u praiskonskim genima i da su ih tijekom evolucije izgubili oni organizmi koji su selektirani za brzi rast (primjerice prokarioti).kapa

primarni prijepis prekrajanje

-globinska mRNA

Mijeanjem egzona (engl. exon shuffling) nastaju nove kombinacije koje proiruju genetiki repertoar

Alternativnim prekrajanjem nastaju mRNA koje su kalupi za razliite oblike proteinamolekula protutijela vezana za membranuAlternativnim prekrajanjem uklanja se membranska domena

topljiva molekula protutijela

rekombinacija

izvanstanina strana membrana citosol membranska domena kodirana je odvojenim egzonom

RNA i DNA: tijek genetike informacije Nukleinske kiseline izgra ene su od etiri vrste baza povezanih na eerno-fosfatnu okosnicu Dva komplementarna lanca nukleinskih kiselina mogu tvoriti dvolananu uzvojitu strukturu DNA repliciraju polimeraze na osnovi informacije sadrane u kalupu Ekspresija gena je pretvorba informacije sadrane u DNA u funkcionalne molekule Aminokiseline su kodirane skupinama od po tri baze poevi od neke odre ene toke Veina eukariotskih gena su mozaici introna i egzona

8