Biochémia Biochémia Nukleových Nukleových kyselín kyselín I I DNA, RNA, interakcia NK s proteínmi DNA, RNA, interakcia NK s proteínmi P2 P2 Peter Javorský Peter Javorský javorsky javorsky@saske saske. sk sk http://www2. http://www2. saske saske. sk sk/ javorsky javorsky Ústav fyziológie hospodárskych zvierat SAV, Košice Ústav fyziológie hospodárskych zvierat SAV, Košice information flows from information flows from DNA to RNA to PROTEIN DNA to RNA to PROTEIN Centrálna dogma Centrálna dogma molekulárnej biológie molekulárnej biológie
24
Embed
Biochémia Nukleových kyselín I - home.saske.skhome.saske.sk/~javorsky/pdf/Prednasky/P2-UVL.pdf · Štruktúra DNA a RNA)chemické zloženie DNA a RNA)chemické väzby spájajúce
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BiochémiaBiochémia Nukleových Nukleových kyselínkyselín II
DNA, RNA, interakcia NK s proteínmiDNA, RNA, interakcia NK s proteínmiP2P2
Peter Javorský Peter Javorský javorskyjavorsky@@saskesaske..sksk
rozdiel medzirozdiel medzi 3’ 3’ koncomkoncom a 5’ a 5’ koncomkoncom
chemické väzby pripájajúcechemické väzby pripájajúce cukor k bázamcukor k bázam
štruktúruštruktúru DNADNA a RNAa RNA
TThere are four bases in DNA here are four bases in DNA • adenine (A)• adenine (A) • thymine (T) • thymine (T) • guanine (G)• guanine (G) • cytosine (C)• cytosine (C)
NN
N N
H
H
NH2
H
NN
N N
H
H
O
NH2
H
N
N
O
H
H3C
H
O
H
N
N
NH2
H
H
H
OGG
AA
CC
TT
purinepurine pyrimidinepyrimidine
Thymine is replaced by Thymine is replaced by uuracilracil (U) in RNA(U) in RNA• adenine (A)• adenine (A) • thymine (T) • • thymine (T) • uraciluracil (U)(U)• guanine (G)• guanine (G) • cytosine (C)• cytosine (C)
NN
N N
H
H
NH2
H
NN
N N
H
H
O
NH2
HN
N
NH2
H
H
H
OGG
AA
CC
UU
purinepurine pyrimidinepyrimidine
11
99
99
RNA a DNA RNA a DNA obsahujúobsahujú podobnépodobné cukrycukry
RNARNA DNADNADDNNAA
BázyBázy DNA/RNA DNA/RNA ((PuPuN9, N9, PyPyN1N1) s) sú ú naviazané na Cnaviazané na C1 1 uhlík cukruuhlík cukru
nunukkleoleozidzid adenoadenozínzín
99
11
33
55
NuNukkleotidleotidy súy sú fosfátfosfát--obsahujúceobsahujúce nunukkleoleozidyzidy
Nukleotid Nukleotid sasa skladáskladá: z : z monosacharidumonosacharidu (pentóza, 2(pentóza, 2--deoxydeoxy--ββ--DD--ribózaribózaaleboalebo ββ--DD--ribózaribóza), z H), z H33POPO44, z, z purínovejpurínovej ((adenínadenín--adeade, , guanínguanín--guagua) ) aleboalebopyrimidnovejpyrimidnovej ((cytozíncytozín--cytcyt, , tymíntymín--thythy, , uraciluracil--uraura) ) bázybázy..
Complementary, with opposite strands following Complementary, with opposite strands following WatsonWatson--CrickCrick base pairing rules (Abase pairing rules (A--T; GT; G--C)C)
Menší Menší žliabokžliabok: OC2 : OC2 PyrPyr, N9 , N9 PurPur, , šírkašírka 0,6nm, 0,6nm, schopnosťschopnosť tvoriťtvoriťväzbyväzby ss proteínmiproteínmi –– N3 A, GN3 A, G;; OC2 OC2 T,C a C2G. T,C a C2G. MenejMenej reaktívnyreaktívny..
0,6 nm1,2 nm
Základné Základné konformáciekonformácie DNADNAA, B (pravotočivé), Z (ľavotočivé) A, B (pravotočivé), Z (ľavotočivé)
DNADNA--B je stabilná pri vlhkosti 95%, DNAB je stabilná pri vlhkosti 95%, DNA--A pri A pri
75%. Dehydratáciou prechádza B forma na A 75%. Dehydratáciou prechádza B forma na A
DNA forma B je základná, vyskytuje sa vo DNA forma B je základná, vyskytuje sa vo
všetkých všetkých prokaryotickýchprokaryotických a a eukaryotickýcheukaryotických
bunkách a vo vírusoch bunkách a vo vírusoch
DNADNA--A sa vyskytuje vA sa vyskytuje v spórach bacilov, DNAspórach bacilov, DNA--Z Z
sa uplatňuje prisa uplatňuje pri rekombináciirekombinácii, pri regulácii , pri regulácii
ĎĎalšie formyalšie formy DNADNACC -- DNA:DNA: ExistExistuje len za podmienok vysokej uje len za podmienok vysokej dehydratácie, dehydratácie, 9.3 9.3 bpbp//otáčkuotáčku, 0.19 nm , 0.19 nm priemer, priemer, naklonené bázynaklonené bázy
DD -- DNA:DNA: Objavuje sa v závitnici s chýbajúcim Objavuje sa v závitnici s chýbajúcim guanínomguanínom, , 8 8 bpbp//otáčkuotáčku
EE -- DNADNA: Podobne akoPodobne ako DD--DNA DNA s chýbajúcim s chýbajúcim guanguanínomínom, , 7.5 7.5 bpbp//otáčkuotáčku
PP-- DNA:DNA: Umelo napnutá Umelo napnutá DNA DNA s fosfátovými skupinami, s fosfátovými skupinami, ktoré sa nachádzajú vo vnútri dlhej tenkej molekuly a ktoré sa nachádzajú vo vnútri dlhej tenkej molekuly a bbázamiázami blízko k vonkajšiemu povrchu závitnice, blízko k vonkajšiemu povrchu závitnice, 2.62 2.62 bpbp//otáčkuotáčku
Terciárna štruktúra DNATerciárna štruktúra DNANadzávitnicaNadzávitnica--superhelixsuperhelix: : môžemôže sasa vytvoriťvytvoriť zz kruhovej (CCC) kruhovej (CCC) akoakoajaj z z lineárnejlineárnej DNA (DNA (nadzávitnicanadzávitnica, , selenoidnéselenoidné smyčky, relaxovaná smyčky, relaxovaná forma)forma)..
DNA pred DNA pred replikácioureplikáciou musí byť vo musí byť vo forme forme superhelixusuperhelixu, ale v procese , ale v procese replikáciereplikácie už nie.už nie. !SuperreťazenieSuperreťazenie má význam pre uloženie má význam pre uloženie
relatívne dlhej relatívne dlhej chromozomálnejchromozomálnej DNA (400x DNA (400x dlhšia ako bunka dlhšia ako bunka E. E. colicoli, je to prirodzená , je to prirodzená
forma DNAforma DNA). ).
Energia uložená v štruktúre Energia uložená v štruktúre superzávitnicesuperzávitnice sa využíva pri biologických sa využíva pri biologických dejoch ako sú: dejoch ako sú: replikáciareplikácia DNA, transkripcia a jej oprava.DNA, transkripcia a jej oprava.
DNA DNA uvoľnená z uvoľnená z lyzovanejlyzovanej baktériebaktérie
SupercoilingSupercoiling results from coiling results from coiling of the axis of the double helixof the axis of the double helix
Odvíjanie Odvíjanie dvojzávitnicedvojzávitnice
DNA BDNA B
StáčanieStáčaniedvojzávitnicedvojzávitnice
NajNajčastejšie častejšie vvyskytujúcayskytujúcaforma forma superhelixusuperhelixu v prírode v prírode
TopoizomerázaTopoizomeráza I:I: premiestňuje jeden neporušený reťazec cez zlom premiestňuje jeden neporušený reťazec cez zlom v protiľahlom reťazci vv protiľahlom reťazci v dvojzávitnicidvojzávitnici (relaxácia DNA).(relaxácia DNA).
TopoizomerázaTopoizomeráza II:II: premiestňujepremiestňuje neporušenúneporušenú dsds DNA DNA cezcez zlomy v zlomy v obidvochobidvoch reťazcochreťazcoch protiľahlejprotiľahlej dvojzávitnicedvojzávitnice (DNA(DNA--gyrázagyráza, vznik , vznik superhelixusuperhelixu).).
TopoizomerázyTopoizomerázy môžumôžu relaxovaťrelaxovať kladnúkladnú ajaj zápornúzápornúnadzávitnicunadzávitnicu, , čočo je je veľmiveľmi dôležitédôležité pripri transkripciitranskripcii a a
replikáciireplikácii, , majúmajú vplyv vplyv ajaj na tvorbu na tvorbu uzlovuzlov a a katenanovkatenanov..
TopoizomerTopoizomeráázaza II
Premiestňuje jeden neporušený Premiestňuje jeden neporušený reťazec cez zlom v protiľahlom reťazec cez zlom v protiľahlom reťazci vreťazci v dvojzávitnicidvojzávitnici, čím ju , čím ju relaxuje. relaxuje.
……superhelixysuperhelixy v jednotlivých doménach v jednotlivých doménach chromozomálnejchromozomálnej DNA sa však vplyvom DNA sa však vplyvom tohto enzýmu relaxujú nezávisle…tohto enzýmu relaxujú nezávisle…
TopoizomerázaTopoizomeráza I je jednoduchý I je jednoduchý polypeptidpolypeptidnevyžadujúci pre svoju činnosť vysokú energiunevyžadujúci pre svoju činnosť vysokú energiu
TopoizomerázaTopoizomeráza IIIIPremiestňujePremiestňuje neporušenúneporušenú dsds DNA DNA cezcezzlomy v zlomy v obidvochobidvoch reťazcochreťazcoch protiľahlejprotiľahlejdvojzávitnicedvojzávitnice (DNA(DNA--gyrázagyráza).).
DNA DNA gyrázagyráza zavádza zavádza negatívny negatívny superhelixsuperhelix do DNA, do DNA,
vzniká pritom pravotočivá vzniká pritom pravotočivá nadzávitnicanadzávitnica, vyžaduje ATP , vyžaduje ATP
(baktérie(baktérie).).
OrganizáciaOrganizácia nukleotidovýchnukleotidových sekvenciísekvencií v DNA v DNA izolovaných izolovaných zozo živých živých sústavsústav
Tandemové Tandemové repetícierepetície:: opakujúopakujú sasa za sebou (5za sebou (5--10, 2010, 20--200 200 bpbp, , vv počtochpočtoch 106106--107, 107, vyskytujúvyskytujú sasa vv heterochromatínovejheterochromatínovej oblasti oblasti centromérycentroméry a do RNA a do RNA sasa neprepisujúneprepisujú).).
ObrátenéObrátené repetícierepetície:: opakujúopakujú sasa na na rovnakomrovnakom reťazcireťazci DNA DNA vv komplementárnejkomplementárnej podobepodobe a na a na komplementárnomkomplementárnom reťazcireťazcivv protismereprotismere5´......ATGC.....GCAT.....3´ 5´......ATGC.....GCAT.....3´ palindrómpalindróm 5´......5´......ATGCATGC/GCAT.....3´/GCAT.....3´3´......TACG.....CGTA.....5´ 3´.3´......TACG.....CGTA.....5´ 3´......TACG/.....TACG/CGTACGTA.....5´.....5´
Výskyt Výskyt obrátenýchobrátených repetíciírepetíciívedievedie kk tvorbe tvorbe vláseniekvláseniek a a
krížovýchkrížových štruktúrštruktúr
Zaujímavosťou je, že práve tieto stredovo symetrické repetitívneZaujímavosťou je, že práve tieto stredovo symetrické repetitívne a purína purín--pyrimidín alternujúce pyrimidín alternujúce sekvencie sa v živých systémoch často nachádzajú sekvencie sa v živých systémoch často nachádzajú hlavne hlavne v regulačných oblastiach DNA ako v regulačných oblastiach DNA ako sú: promótor, terminator a počiatok replikácie (ori).sú: promótor, terminator a počiatok replikácie (ori).
Priama Priama repetíciarepetícia:: opakuje opakuje sasa vv rovnakomrovnakom smeresmere na tom na tom istomistomreťazcireťazci
DlháDlhá koncová koncová repetíciarepetícia (LTR (LTR sekvenciasekvencia):): nachádzanachádza sasa na na koncochkoncochtoho toho istéhoistého reťazcareťazca, , pričompričom ale konce LTR ale konce LTR sekvenciesekvencie súsú vovo vzťahuvzťahuobrátenýchobrátených repetíciírepetícií
Rozptýlené Rozptýlené repetícierepetície:: nachádzajúnachádzajú sasa na na rôznychrôznych miestachmiestachhaploidnéhohaploidného genómugenómu, , majúmajú charakter charakter transpozónovtranspozónov, , môžumôžu byť byť krátkekrátke (300 (300 bpbp) ) aleboalebo dlhédlhé (> 300bp).(> 300bp).
OrganizáciaOrganizácia nukleotidovýchnukleotidových sekvenciísekvencií v DNA v DNA izolovaných izolovaných zozo živých živých sústavsústav
Tvorí sa v jadre, ale je Tvorí sa v jadre, ale je funkčná v cytoplazmefunkčná v cytoplazme
obsahujeobsahuje ribribózuózu
tRNA, rRNA, mRNA tRNA, rRNA, mRNA sa zúčastňujú na sa zúčastňujú na expresiiexpresii genetickéjgenetickéj informácieinformácie
••tRNAtRNA pripájajú špecifické aminokyseliny k pripájajú špecifické aminokyseliny k tripletomtripletom báz v báz v mRNAmRNA ((adaptorovéadaptorové molekuly)molekuly)
••rRNArRNA sú hlavné zložky rsú hlavné zložky riboibozómovzómov. . RiboRibozómyzómy uľahčujú uľahčujú interakciu správnych interakciu správnych aaaa--tRNA tRNA so špecifickým so špecifickým kodónomkodónom a a katalyzujúkatalyzujú pridanie AMK k rastúcemu pridanie AMK k rastúcemu peptidovémupeptidovému reťazcu reťazcu (syntéza proteínov)(syntéza proteínov)
••mRNAmRNA slúžia ako sprostredkovateľ medzi génmi a slúžia ako sprostredkovateľ medzi génmi a translačnoutranslačnou mašinérioumašinériou ((templátytempláty pre syntézu proteínov)pre syntézu proteínov)
RNARNA
RNARNA
malé jadrovémalé jadrové RNA (RNA (splicesomalsplicesomal RNA)RNA)
malé jadrovémalé jadrové RNA (ribosomal RNA processing)RNA (ribosomal RNA processing)
V porovnaní so V porovnaní so štrúkturamištrúkturami DDNA, NA, sú štruktúry RNA sú štruktúry RNA omnoho menej známeomnoho menej známe. . VäčšinaVäčšina RNA RNA je asociovaná s je asociovaná s
bielkovinami, ktoré im umožňujú zbaľovanie do bielkovinami, ktoré im umožňujú zbaľovanie do správnych štruktúrsprávnych štruktúr
Obecná charakteristika štruktúry Obecná charakteristika štruktúry ribonukleovýchribonukleových kyselínkyselín
PárovaniePárovanie bázbáz vv sekundárnejsekundárnej štruktúreštruktúre RNA a RNA a pripri interakciáchinterakciách medzimedzireťazcamireťazcami RNA: RNA: obrátenéobrátené WC WC -- GC, GC, obrátenéobrátené H H -- AC, AC, obrátenéobrátené kolísavé kolísavé
••väzbyväzby ss kostrou DNA (vodíkové kostrou DNA (vodíkové väzbyväzby
ss kyslíkomkyslíkom fosfodiesterovýchfosfodiesterových väziebväzieb))
SekundárneSekundárne štruktúryštruktúry proteínovproteínov rozoznávajúcerozoznávajúce regulačnéregulačné oblasti DNA oblasti DNA
DNA binding domainsDNA binding domains
There are many strategies that proteins use to bind DNA in a higThere are many strategies that proteins use to bind DNA in a highly hly specific manner. HTH, zinc finger, and specific manner. HTH, zinc finger, and leucineleucine zippers are three zippers are three common motifs. Each motif relies on making numerous hydrogen common motifs. Each motif relies on making numerous hydrogen bonds, ionic bonds and van bonds, ionic bonds and van derder wa’alswa’als contacts with the bases and contacts with the bases and sugarsugar--phosphate backbone.phosphate backbone.
ProteínyProteíny ss motívommotívom helixhelix--otačkaotačka--helixhelix
súsú zložkamizložkami represorovrepresorov fágafága λλ, operátora , operátora ββ--galaktozidázygalaktozidázy, aktivátora CAP , aktivátora CAP proteínuproteínu
3
MotMotíív v zinkovzinkovéého ho prstuprstu
22--9 9 tandemovétandemové repetícierepetície (29(29--31 AMK) v31 AMK) v tvaretvare slučkyslučky, , ktorýktorý udržujeudržuje vv tvaretvareprstaprsta iónión zinkuzinku spoluspolu ss dvomidvomi zbytkamizbytkami cysteínucysteínu a a histidínuhistidínu
Zinc Zinc ffingeringer motifmotif--MotMotíív v zinkovzinkovéého ho prstuprstu
motívy typu motívy typu bzipsubzipsu tvoria transkripčné faktory kódované tvoria transkripčné faktory kódované protoonkogénmiprotoonkogénmicc--mycmyc, , cc--fosfos, , cc--junjun, tieto motívy umožňujú aj , tieto motívy umožňujú aj dimerizáciudimerizáciu rovnakých alebo rovnakých alebo odlišných proteínov zodlišných proteínov z rôznymi funkciami a aktivitami čo vedie k možnosti rôznymi funkciami a aktivitami čo vedie k možnosti