Молекулярна биология - пренос на генетичната информация

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ
ЛЕКЦИЯ НА ТЕМА:
Пренос на генетичната информация
ДНК РНК Белтък
Д-р Цветослав Койнарски DVM, MSc, PhD

Потокнаинформацията
вклетката
Хромозома
ген
ДНК
РНК
Аминокиселинна
последователност
Нагънатпротеин
Биохимичниреакции
Триплетенкод

Рибонуклеинова киселина (РНК)
Рибонуклеинова киселина (РНК) е нуклеинова киселина,
съставена от ковалентно свързани нуклеотиди. Също както ДНК,
РНК е хетеробиомолимер съставен от монозахарид (рибоза)
азотна база и остатък от фосфорна киселина. Биохимично тя се
различава от молекулите на ДНК по наличието на допълнителна
хидроксилна група, свързана с всеки пентозен пръстен, както и
по използването на нуклеотида урацил (У) вместо тимин (Т). Ако
основен пазител на наследствената информация е ДНК, то
основната функция на РНК е нейното откопирване
(транскрипция) и превеждането и на езика на белтъците
(транслация). Само по този начин може да се изпълни основната
догма на Молекулярната биология: Наследствената информация
се предава от нуклеиновите киселини към белтъците. При
повечето живи организми на нашата планета генетичната
информация се движи в посоката:
ДНК >>>> РНК >>>> белтък.

Рибонуклеинова киселина (РНК)
Наличието на допълнителна хидроксилна група в структурата на
нуклеотидите на РНК я прави по-нестабилна и по-лесно разрушима в
сравнение със структурата на ДНК, поради което тя има предимно
преносни функции в клетката. РНК представлява неразколнена,
едноверижна полинуклеотидна верига, изградена от нуклеотиди свързани
по между си с фосфодиестерни мостове. Освен замяната на тимин с
урацил, РНК се различава от ДНК молекулите и по своята пространствена
структура. Установени са различни двоични и третични форми, характерни
за всеки вид РНК. Нуклеотидите са изградени от рибоза, съединена с
фосфатна група при своят 5‘край. На противоположната страна на
рибозата се свързва една пуринова или пиримидинова база. Пуриновите
(Аденин и Гуанин) бази са производни на съединението пурин, а
пиримидиновите бази (Урацил и Цитозин) са производни на съединението
пиримидин. Установени са три вида РНК молекули, като характерно е, че
всички се произвеждат в ядрото на клетката, след което се транспортират
в цитоплазмата.

ДНК vs.РНК
•Двойноверижна
•ДНК нуклеотидно
сдвояване:
•G-C, A-T
“Canonical”,
“Watson-Crick”
•Едноверижно
•РНКнуклеотидносдвояване:
•G-C, A-U, G-Uand more
–“Canonical”, “Watson-Crick”
–“GU wobble”
–“AU reverse Hoogsteen”
Едноверижнат а РНК може да се самонагъва!!!

Видове РНК

Информационна РНК
Бележи се като иРНК или мРНК (матрична РНК). Отговаря за откопирването и
пренасянето на наследствената информация до рибозомите. Информационната РНК
молекула е едноверижна и е изградена от последователното подреждане на 4 нуклеотида
(Аденин, Гуанин, Цитозин и Урацил) във всички възможни комбинации. Тъй като
аминокиселините съставящи белтъците са общо 20 на брой, то кодирането на определена
аминокиселина неможе да се базира на един нуклеотид. Установено е че група от три
последователно подредени нуклеотида, кодират местоположението на дадена
аминокиселина в полипептидната верига. Такива три нуклеотида кодиращи
местоположението на дадена аминокиселина в в ППВ се наричат кодон (триплет). Броят
на възможните кодони е 4
3
–64, което показва, че някои аминокиселини се кодират само
от един триплет (метионин и триптофан), докато други се кодират от няколко (аргинин,
левцин и др.). Доказано е, че от възможните 64 кодона, 61 кодират определена
аминокиселина, а три от кодоните са безмислени. Безмислените кодони служат като
маркер на веригата за спиране на транслацията. Такива кодони са УАА, УГА и УАГ. С
изключение на кодоните при митохондриите и някои протозои, генетичният код е
универсален за всички живи организми на нашата планета, което потвърждава неговата
прецизност и точност. Количеството на иРНК в клетката е около 5% от общото количество
РНК. Обикновено иРНК се намират в твърде малки количества и имат кратко време на
полуживот.

Информационна РНК

Транспортна РНК
Бележи се като тРНК. Количеството на тРНК в клетките е около 15% от
общото количество РНК в клетката. Характерно за тях е, че не са
прикрепени към клетъчни структури, а се движат свободно в цитоплазмата –
разтворими РНК. Тези РНК молекули отговарят за пренасянето на
различните аминокиселини до рибозомите и дешифрирането на кода носен
от информационната РНК. Транспортните РНК молекули са сравнително
къси вериги, изградено от около 70-80 нуклеотида с молекулна маса между
25000 и 30000. Всяка аминокиселина им една или няколко тРНК, които я
свързва и пренася до растящият край на полипептидната верига в
рибозомите. Функцията на тРНК молекулите зависи от тяхната
прострнствена структура. Въпреки че са едноверижни молекули, някои от
участъците им са комплементарни едни на други, вследствие на което
веригата се огъва и свързва на определени места. Получената структура
притежава няколко двойноверижни участъка и няколко бримки (изградени
от некомплементарни участъци). Така описаната вторична сруктура на тРНК
може да се оприличи на четирилистна детелина.

Транспортна РНК
Долепените два края на веригата образуват своеобразно
стъбло от което стърчат двата края (3’ и 5’ ) на веригата.
Установено е, че при 5‘ края всички тРНК завършват с гуанин, а
на своят 3‘ край притежават последователността ЦЦА,
добавена след приключването на синтезата и процесинга на
тРНК. Именно този участък е отговорен за свързването на
определена аминокиселина –акцепторен край. Той включва
нуклеотидната последователност ЦЦА, завършваща със
свободна 3‘-ОН група на аденозина. Към тази група аминоацил-
тРНК-синтетазите присъединяват остатъците на
аминокиселини, след което образуваните комплекси се
транспортират към рибозомите за участие в белтъчната
синтеза. Образуваните четири бримики също имат специфични
функции.

Транспортна РНК
Тимидиновата бримка (Т-бримка) отговаря за свързването на тРНК с
рибозомата. Включва 7 нуклеотида, между които задължително и
псевдоуридилова киселина.
Вариабилна бримка –функцията и все още не е изяснена.
Антикодонова бримка –в средата и е разположен антикодонът, съставен от
три нуклеотида с точно определена последователност. На принципът на
комплементарността кодонът на иРНК се свързва с антикодонът на тРНК,
при което носената от тРНК аминокиселина се включва в нарастващата
полипептидна верига. По този начин се определя мястото на всяка
аминокиселина в процеса на белтъчната синтеза (адапторна роля на
тРНК).
Дехидроуридинова бримка (Д-бримка) –се открива от активиращият
аминокиселината ензим и взема участие в свързването на
аминокиселината със специфичната за нея тРНК.

Транспортна РНК

РибозомнаРНК
Бележи се като рРНК. Този тип РНК молекули имат скелетна
функция за рибозомите. Асоциирайки се със съответните
протеини, рРНК формира рибозомите. Те са изградени от малка
(30S) и голяма (50S) субединица. В малката субединица има
само една малка рРНК молекула, а в голямата-една голяма и
една или няколко по-малки. Тези комплексни структури се
движат по иРНК като катализират свързването на
аминокиселините в полипептидна верига. Те също свързват
тРНК и други молекули нужни за синтезата на белтъци.
Първичната нуклеотидна последователност на всеки тип рРНК
варира, поради което те могат да формират различни стъбло-
бримка структури, с различна пространствена структура.
Количеството на рРНК в клетките съставлява около 80% от
общото количество РНК в клетките.

Първична структура на РНК
Представлява нуклеотиднатапоследователност от която е
изградена дадената РНК молекула. Тази нуклеотидна
последователност служи за временен преносител на
наследствената програма на клетката. Пример за първична
структура можем да дадем с РНК на един вирус по
картофите:
Potato spindle tuber viroid RNA (isolate KF440-2)
CGGAACUAAACUCGUGGUUCCUGUGGUUCACACCUGACCUCCUGACAAGAAA
AGAAAAAAGAAGGCGGCUCGGAGGAGCGCUUCAGGGAUCCCCGGGGAAACCU
GGAGCGAACUGGCAAAAAAGGACGGUGGGGAGUGCCCAGCGGCCGACAGGA
GUAAUUCCCGCCGAAACAGGGUUUUCACCCUUCCUUUCUUCGGGUGUCCUUC
CUCGCGCCCGCAGGACCACCCCUCGCCCCCUUUGCGCUGUCGCUUCGGCUA
CUACCCGGUGGAAACAACUGAAGCUCCCGAGAACCGCUUUUUCUCUAUCUAA
CUUGUUCCGGGGCGAGGGUGUUUAGCCCUUGGAACCGCAGUUGGUUCCU

Вторична структура на РНК
Представлява свързването на определени участъци от
едноверижната РНК молекула на принципа на
комплементарността. При РНК молекулите комплементарни
са базите Г-Ц и А-У (Уотсън Крикови двойки), но понякога се
откриват сдвоявания между Г и У.Характерно за тази двойка
е нейната нестабилност, поради което тя е по-малко
известна. Свързването на отделни участъци (от по няколко
нуклеотида) води до образуването на различни по големина и
форма примки във вторичната структура на РНК молекулата.
Описани са следните видове вторични структури –фуркет,
вътрешна примка, полу примка, поликлонална примка,
стъбло и единична верига.

16
Вторична структура на РНК
Фуркетни структури –
Hairpin Loops:
Извиване и самосвъвзване на
едноверижният скелет на
молекулата на 180°

17
Вторична структура на РНК
Вътрешни примки
Internal Loops:
Когато сдвояването от двете
страни на веригата е
нарушено еднакво

18
Вторична структура на РНК
Полу-примки
Bulge Loops:
Когато сдвояването
нарушено не еднакво –от
едната страна

19
Вторична структура на РНК
Поликлонални примки
MultibranchLoops:
Или хеликална връзка
(helical junction), на две или
повече стъбла без примки в
тях

20
Вторична структура на РНК
Стъбло
Stems/Helices:
При сдвояване на веригите

21
Вторична структура на РНК
Еденична верига
Single strand

22
Вторична структура на РНК

Третична структура на РНК
Възниква в следствие на взаимодействията между отделни участъци във вторичната
структура. Предвиждането на третичната структура на РНК може да се открие
посредством точен (ко-)вариантен анализ.

Експресия на гените
Характерните белези за всеки вид се дължат на специфичните белтъчини
синтезирани в неговите клетки. Генната експресия се състои в преносът на
наследствената информация кодирана от гените разположени в ДНК до
рибозомите (органелите отговорни за белтъчната синтеза). Гените се делят
на две основни групи в зависимост от природата на крайния продукт:
Рибозомни гени и гени кодиращи тРНК –кодират синтезата на рРНК и
тРНК
Структурни гени –кодират всички белтъчни молекули в клетката. За
превеждането на наследствената информация от тези гени до езика на
белтъчините, информацията преминава през молекула посредник –иРНК.
Както се вижда при експресията на всички гени (независимо от по-горе
представеното разд