DNR ir RNR molekulinė struktūra
- 1. DNR IR RNRDNR IR RNR MOLEKULINĖMOLEKULINĖ STRUKTŪRASTRUKTŪRA
- 2. ĮVADAS Genetikos kursą pradėsime nuo molekulinės genetikos Molekulinė genetika tyrinėja DNR struktūrą ir funkcijas molekulių lygmenyje Pastarųjų metų mokslo pasiekimai, tobulinant tyrimo metodus ir kuriant naujas koncepcijas, labai išplėtė molekulinės genetikos žinias Šis progresas palietė ne tik molekulinę, taču ir požymių perdavimo bei populiacijų genetikas Didžiaja dalimi genetikos žinios yra sukauptos tiriant DNR ir RNR 2-2
- 3. Savo funkciją genetinė medžiaga atlieka tik tada, kai ji pasižymi tam tikromis savybėmis 1. Informacija: Ji privalo turėti informaciją, būtiną visam organizmui sukurti 2. Paveldėjimu: Ji privalo būti perduodama iš tėvų vaikams 3. Replikacija: Ji turi būti kopijuojama Tada ji gali būti perduodama iš tėvų vaikams 4. Kintamumu: Ji privalo gebėti keistis Toks kintamumas užtikrina plači stebima fenotpinę variaciją kiekvienos rūšies viduje 2-3 2.1 DNR KAIP GENETINĖ MEDŽIAGA
- 4. Daugelio genetikų, tarp jų ir Mendelio, duomenys atitiko šias keturias savybes Taču genetinės medžiagos cheminė prigimtis negalėjo būti nustatyta vien tik kryžminant organizmus Iš tikrųjų, DNR kaip genetinės medžiagos identifikavimas pareikalavo naujoviško požiūrio į eksperimentinę biologiją 2-4 2.1 DNR KAIP GENETINĖ MEDŽIAGA
- 5. Griffithas tyrė bakteriją (Diplococcus pneumoniae), kuri dabar vadinama Streptococcus pneumoniae Yra aptinkami du S. pneumoniae kamienai S Smooth (lygus) Sekretuoja polisacharidinę kapsulę Ši apsaugo bakteriją nuo gyvūnų imuninės sistemos Auginamos ant kietos terpės suformuoja lygias kolonijas R Rough (šiurkštus) Nesugeba sekretuoti kapsulės Kolonijų kraštai nelygūs 2-5 Fredericko Griffitho eksperimentai su Streptococcus pneumoniae
- 6. Be to, dviejų S kamienų kapsulės gali reikšmingai skirtis pagal savo cheminę sudėtį 2-6 Retos mutacijos gali paversti S kamienus R kamienais ir atvirkšči Taču mutacjos nekeič kamienų tipų
- 7. 2-7 1928 m. Griffithas atliko eksperimentus naudodamas du S. pneumoniae kamienus: IIIS tipo ir IIR tipo 1. Pelėms suleistos gyvos IIIS tipo bakterijos Pelės žuvo IIIS tipo bakterijos buvo išskirtos iš pelių kraujo 2. Pelėms suleistos gyvos IIR tipo bakterijos Pelės išgyveno Iš pelių kraujo nebuvo išskirta gyvų bakterijų 3. Pelėms suleistos aukšta temperatūra užmuštos IIIS tipo bakterijos Pelės išgyveno Iš pelių kraujo nebuvo išskirta gyvų bakterijų 4. Pelėms suleistos gyvos IIR tipo aukšta temperatūra užmuštos IIIS tipo bakterijos Pelės žuvo IIIS tipo bakterijos buvo išskirtos iš pelių kraujo
- 8. 2-8
- 9. 2-9 Griffithas nusprendė, kad kažkokia medžiaga iš žuvusių IIIS tipo bakterijų transformavo IIR tipo bakterijas į IIIS tipą Jis pavadino šį procesą transformacija Medžiaga, kuri tai padarė, buvo pavadinta transformuojančiąja priežastimi Griffithui nepavyko nustatyti, kokia tai medžiaga Transformuojančiosios priežasties prigimtis buvo nustatyta gerokai vėliau, naudojant įvairius biocheminius metodus
- 10. Avery, MacLeod ir McCarty suprato, kad Griffitho tyrimų rezultatai gali būti panaudoti genetinei medžiagai nustatyti Jie atliko savo eksperimentus penktame XX a. dešimtmetyje Tuo metu jau buvo žinoma, kad pagrindiniai ląstelių makrokomponentai yra DNR, RNR, baltymai ir angliavandeniai Iš IIIS tipo bakterijų jie paruošė ląstelių ekstraktus, turinčius kiekvieną iš šių makromolekulių Tiktai ekstraktai, turintys išgrynintą DNR, galėjo transformuoti IIR tipo bakterijas į IIIS tipo bakterijas Avery, MacLeod ir McCarty eksperimentai 2-10
- 11. 2-11 Avery et al taip pat atliko ir kitą eksperimentą Jo reikėjo norint įrodyti, kad būtent DNR, o ne koks nors kitas ekstrakto komponentas (RNR ar baltymas) yra genetinė medžiaga
- 12. 1952 m. Alfred Hershey ir Marsha Chase pateikė papildomų įrodymų, kad genetinė medžiaga yra DNR Hershey ir Chase eksperimentai su bakteriofagu T2 2-12 Jie tyrė bakteriofagą T2 Jo sandara yra palyginti paprasta, nes jį sudaro tik dvi makromolekulės DNR ir baltymai Padaryti iš baltymo Kapsidės viduje
- 14. Hershey and Chase eksperimentų santrauka: Naudojo radioizotopus, norėdami atskirti DNR nuo baltymų 32 P specifiškai pažymi DNR 35 S specifiškai pažymi baltymus Radioaktyviai pažymėtais fagais buvo užkrečmos neradioaktyvios Escherichia coli ląstelės Po tam tikro laiko, reikalingo infekcijai įvykti, likusios fagų dalelės buvo pašalinamos => Fagų liekanos ir E. coli ląstelės buvo atskiriamos Radioaktyvumas buvo vertinamas scintiliaciniu skaitikliu 2-14
- 15. Hipotezė Tik fago genetinė medžiaga yra injekuojama į bakterijas Radioaktyvi žymė turi parodyti, ar tai yra baltymas, ar DNR 2-15
- 16. Rezultatai 2-16
- 17. Duomenų interpretacija 2-17 Šie rezultatai rodo, kad infekcijos metu fago DNR buvo injekuota į bakterijų citoplazmą Tai yra tas rezultatas, kurio buvo galima tikėtis, jei būtent DNR yra genetinė medžiaga Dauguma radioaktyvios sieros rasta supernatante Taču tik maža dalis radioaktyvaus fosforo
- 18. 2-18 1956 m. A. Gierer ir G. Schramm išskyrė RNR iš augalų viruso – tabako mozaikos viruso (TMV) Išvalyta RNR sukeldavo tas pačs pažaidas, kaip ir intaktinis TMV Taigi, šių virusų genomą sudaro RNR Dabar aptikta nemažai RNR virusų Kai kuriuose virusuose genetinės medžiagos funkciją atlieka RNR
- 19. DNR ir RNR virusų pavyzdžiai Virusas Šeimininkas Nukleino rūgštis Tabako mozaikos virusas Tabakas RNR Gripo virusas Žmogus RNR HIV (ŽIV) Žmogus RNR f2 E.coli RNR Kalafiorų mozaikos virusas Kalafiorai DNR Herpes virusas Žmogus DNR SV40 Primatai DNR Epstein-Barr virusas Žmogus DNR T2 E.coli DNR 2-19
- 20. DNR ir RNR yra stambios makromolekulės, susidarančios iš keleto lygmenų struktūrų 1. Nukleotidai sudaro pasikartojančius vienetus 2. Nukleotidai susijungia sudarydami grandinę 3. Dvi grandinės sąveikauja sudarydamos dvigubą spiralę 4. Dviguba spiralė susisuka, susilanksto ir sąveikauja su baltymais, sudarydama 3-D struktūras, formuojančs chromosomas 2.2 NUKLEINO RŪGŠČIŲ STRUKTŪRA 2-20
- 21. 2-21
- 22. 2-22 Nukleotidai yra pasikartojantys DNR ir RNR struktūriniai vienetai Juos sudaro trys komponentai Fosfatinė grupė Pentozė (cukrus) Azotinė bazė Nukleotidai
- 23. 2-23
- 24. 2-24 Nukleotidų, randamų (a) DNR ir (b) RNR, struktūra A, G, C ar T Šie atomai randami laisvuose nukleotiduose Taču jie yra pašalinami, kai nukleotidai jungiasi tarpusavyje, sudarydami DNR ir RNR grandines A, G, C ar U Pasikartojantis dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) elementas Pasikartojantis ribonukleino rūgšties (RNR) elementas
- 25. 2-25 Bazė + cukrus nukleozidas Pavyzdžiai Adeninas + ribozė = adenozinas Adeninas + dezoksiribozė = dezoksiadenozinas Bazė + cukrus + fosfatas(i) nukleotidas Pavyzdžiai Adenozino monofosfatas (AMP) Adenozino difosfatas (ADP) Adenozino trifosfatas (ATP)
- 27. 2-27 Nukleotidai kovalentiškai susijungia per fosfodiesterinę jungtį Fosfatas jungia vieno nukleotido 5’ anglies atomą su kito nukleotido 3’ anglies atomu Tuo būdu grandinė turi kryptį Iš 5’ į 3’ Fosforo rūgšties liekanos ir cukrūs sudaro nukleino rūgšties grandinės karkasą Bazės kyšo iš karkaso
- 28. 2-28
- 29. 2-29 1953 m. James Watson ir Francis Crick nustatė, kad DNR sudaro dviguba spiralė, kurioje nukleotidai sąveikauja tarpusavyje pagal tam tikras taisykles Taču šio atradimo mokslinius pagrindus sukūrė kiti mokslininkai Linus Pauling Rosalind Franklin ir Maurice Wilkins Erwin Chargaff DNR struktūra buvo išaiškinta remiantis keliais esminiais rezultatais
- 30. 2-30 Penktajame XX a. dešimtmetyje jis nustatė, kad tam tikri baltymų regionai gali susilankstyti į antrinę struktūrą α-spiralė Linusas Paulingas Šiai struktūrai išaiškinti, jis pagamino modeli, sudarytą iš rutuliukų ir lazdelių
- 31. 2-31 Dirbo vienoje laboratorijoe su Mauricu Wilkinsu Naudojo Rentgeno spindulių difrakciją drėgnų DNR siūlų struktūrai tirti Rosalind Franklin Difrakcinį vaizdą galima interpretuoti, naudojant matematinio modeliavimo metodus. Tai gali suteikti informacijos apie tiriamos molekulės struktūrą
- 32. 2-32 Rentgeno difrakcijos metodais ji pasiekė gana didelės pažangos, tyrinėjant DNR struktūrą Difrakciniai vaizdai atspindėjo kai kurias pagrindines DNR savybes Spiralinė struktūra Daugiau nei viena grandinė 10 bazių porų tenka vienai pilnai spiralės vijai Rosalind Franklin
- 33. 2-33 Chargaffas pirmasis panaudojo daugelį nukleino rūgščių išskyrimo iš gyvų ląstelių, išgryninimo ir matavimo biocheminių metodų Tuo metu jau buvo žinoma, kad DNR sudaro keturios bazės: A, G, C ir T Bazių sudėties analizė gali atskleisti svarbias DNR struktūros ypatybes Erwino Chargaffo eksperimentai
- 34. 2-34
- 35. 2-35
- 36. Chargaffo tyrimų duomenys: bazių procentinis santykis skirtingų organizmų DNR Organizmas Bazių % Adeninas Timinas Guaninas Citozinas Escherichia coli 26.0 23.9 24.9 25.2 Streptococcus pneumoniae 29.8 31.6 20.5 18.0 Mielės 31.7 32.6 18.3 17.4 Vėžlių eritrocitai 28.7 27.9 22.0 21.3 Lašišų spermatozoidai 29.7 29.1 20.8 20.4 Viščiukų eritrocitai 28.0 28.4 22.0 21.6 Žmogaus kepenų ląstelės 30.3 30.3 19.5 19.9 2-36
- 37. Rezultatų interpretavimas 2-37 Duomenys, pateikti lentelėje, sudaro tik nedidelę dalį visų rezultatų, gautų Chargaffo Iš rezultatų akivaizdžiai matyti, kad Adenino procentas = timino procentui Citozino procentas = guanino procentui Šis dėsningumas vadinamas Chargaffo taisykle Tai buvo vienas pagrindinių atspirties taškų, kuriuos panaudojo Watsonas ir Crickas DNR struktūrai išaiškinti
- 38. 2-38 Būdami susipažinę su visais šiais tyrimų rezultatais, Watsonas ir Crickas pasiryžo išsiaiškinti DNR struktūrą Jie bandė pagaminti DNR modelį iš rutuliukų ir lazdelių, kuriam būtų būdingi visi žinomi eksperimentiniai DNR bruožai Esminis klausimas buvo kaip dvi (ar daugiau) grandinių sąveikauja tarpusavyje Pirminė idėja buvo, kad grandinės sąveikauja per fosfato- Mg++ sąsiuvas Watsonas ir Crickas
- 39. 2-39 Ši hipotezė, žinoma, buvo neteisinga!
- 40. 2-40 Tada jie sukūrė modelį, kuriame Fosfodezoksiribozinis karkasas buvo išorėje Bazės buvo projektuojamos viena priešais kitą Pradžioje jie manė, kad vandenilinės jungtys jungia identiškas bazes, esančs priešingose grandinėse t.y., A su A, T su T, C su C, and G su G Taču modeliavimas parodė, kad ir šis modelis nėra teisingas Watsonas ir Crickas
- 41. 2-41 Tik tada jie suprato, kad vandenilinės jungtys susidaro tarp A ir T bei tarp C ir G Taigi, jie pagamino modelį, kuriame A sąveikavo su T, o G – su C Šis modelis jau atitiko visus tuo metu žinomus duomenis apie DNR struktūrą Watsonas ir Crickas
- 42. Watsonas, Crickas ir Wilkinsas 1962 m. už DNR struktūros išaiškinimą gavo Nobelio premiją Deja, Rosalind Franklin mirė 1958, o Nobelio premijos nėra skiriamos po mirties. Watsonas ir Crickas 2-42
- 43. 2-43 Pagrindinės struktūros ypatybės Dviguba DNR spiralė Dvi grandinės yra susivijusios apie centrinę ašį Vieną pilną apviją sudaro 10 bazių Abidvi grandinės yra antiparalelios Vienos kryptis yra nuo 5’ į 3’, o kitos - nuo 3’ į 5’ Spiralė yra dešninė Kai ji vijasi nuo jūsų, spiralė sukasi pagal laikrodžio rodyklę
- 44. 2-44 Pagrindinės struktūros ypatybės Dviguba DNR spiralė DNR struktūra yra stabilizuojama 1. Tarp komplementarių bazių susidaro vandenilinės jungtys A jungiasi su T per dvi vandenilines jungtis C jungiasi su G per tris vandenilines jungtis 2. Bazių stekingas DNR struktūroje bazės yra orientuotos taip, kad jų plokščiosios dalys “žiūri” viena į kitą. Esant tokiai orientacijai, tarp bazių susidaro stekingo jėgos, kurios papildomai stabilizuoja DNR struktūrą
- 45. 2-45 Pagrindinės savybės •Dvi DNR grandinės formuoja dešninę dvigubą spiralę •Bazės priešingose grandinėse jungiasi vandenilinėmis jungtimis pagal A/T ir G/C taisyklę •DNR grandinės yra anti- paralelios pagal savo 5’→3’ kryptį •Kiekvienos grandinės pilną 360° apviją sudaro 10 nukleotidų
- 46. 2-46 Pagrindinės struktūros ypatybės Dviguba DNR spiralė Spiralės paviršiuje susiformuoja du asimetriški grioveliai 1. Didysis griovelis 2. Mažasis griovelis Kai kurie baltymai gali jungtis prie šių griovelių Tuo būdu jie gali sąveikauti su tam tikromis nukleotidų sekomis
- 47. 2-47
- 48. 2-48 DNR dviguba spiralė gali sudaryti skirtingos konformacijos antrines struktūras Dominuojanti forma, randama gyvose ląstelėse yra B-DNR Esant tan tikroms in vitro sąlygoms, gali formuotis A-DNR ir Z-DNR dvigubos spiralės DNR gali susiformuoti į kelių tipų dvigubas spirales
- 49. 2-49 A-DNR Dešninė spiralė Vienoje vijoje 11 bp Susiformuoja esant žemai drėgmei Nėra aiškių įrodymų apie jos biologinę svarbą Z-DNR Kairinė spiralė Vienoje vijoje 12 bp Formavimą skatina Esant didelei druskų koncentracijai - GC-turtingos sekos Esant mažai druskų koncentracija – citozino metilinimas Tokia konformacija gali būti svarbi transkripcijai ir rekombinacijai, bent jau mielių ląstelėse
- 50. 9-50 Bazės pakrypusios centrinės ašies atžvilgiu Bazės pakrypusios centrinės ašies atžvilgiu Fosfofdezoksiribozinis karkasas išsidėstęs zigzagiškai Bazės santykinai statmenos centrinei ašiai
- 51. 2-51 XX a. Šeštojo dešimtmečio pabaigoje Alexander Rich et al atrado trigubą DNR Ji susiformavo in vitro naudojnant sintetinės DNR fragmentus Devintajame dešimtmetyje buvo nustatyta, kad natūrali dvigrandininė DNR gali jungtis su sintetine DNR grandine ir suformuoti trigubą DNR spiralę (tripleksą) Sintetinė DNR grandinė jungiasi prie natūralios DNR didžiojo griovelio DNR gali sudaryti trigubą spiralę
- 52. 2-52 Tripleksinės DNR formavimasis priklauso nuo specifinių sekų Bazių poravimosi taisyklės yra Tripleksinė DNR gali dalyvauti keliuose svarbiuose procesuose Replikacijoje, transkripcijoje, rekombinacijoje Neseniai aptikti ląstelių baltymai, specifiškai atpažįstantys tripleksinę DNR T jungiasi prie AT poros natūralioje DNR C jungiasi prie GC poros natūralioje DNR Kaspino modelis Bazių sekos pavyzdys
- 53. 2-53 Tam, kad DNR tilptų ląstelėjė, ji turi būti efektyviai kompaktizuota per erdvines struktūras Tokios struktūros sukuriamos dalyvaujant baltymams, galintiems jungtis prie DNR Plaču apie tai bus kalbama sekančioje paskaitoje Erdvinė DNR struktūra
- 55. 2-55 Pirminė RNR grandinės struktūra yra labai panaši į DNR grandinės struktūrą RNR grandinės paprastai būna nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių nukleotidų ilgio RNR sintetinama naudojant DNR kaip matricą. Šios sintezės metu naudojama tik viena iš dviejų DNR grandinių RNR struktūra
- 56. 2-56
- 57. 2-57 Nors RNR dažniausiai yra viengrandininė, RNE molekulėse gali formuotis dvigrandininiai regionai Šios antrinės struktūros susidaro dėl komplementarių bazių poravimosi A su U ir C su G Dėl to trumpuose RNR segmentuose susiformuoja dviguba spiralė Tipiška RNR dviguba spiralė Yra dešninė Sudaro A formą, kurioje vienai vijai tenka 11-12 bp Gali susidaryti skirtingų tipų RNR antrinės struktūros
- 58. 2-58 Taip pat vadinama smeigtuko galvute Komplementarūs regionai Nenkomplementarūs regionai Palaikomi vandenilinių jungčių Turi bazes, išsikišančs iš dvigrandininių regionų Išsikišusi kilpa Vidinė kilpa Išsišakojusi kilpa arba mazgas Kamieninė kilpa
- 59. 2-59 Daugelis veiksnių gali įtakoti RNR tretinę struktūrą Pavyzdžiui Bazių poravimasis ir stekingas RNR molekulėje Sąveikos su jonais, mažomis molekulėmis ir stambiais baltymais Tretinė tRNRphe struktūra Tai transportinė RNR kuri perneša fenilalaniną Molekulė turi viengrandininius ir dvigrandininius regionus Jie sąveikauja sudarydami šias 3-D struktūras Kaspino modelis