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, tačiau 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 plačiai 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
 Tačiau 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
atvirkščiai
 Tačiau mutacjos nekeičia 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

13. 2-13
Bakteriofago T2
gyvenimo ciklas

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 užkrečiamos
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
Tačiau 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 pačias 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,
formuojančias 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
 Tačiau 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)

26. 2-26
Bazė visada
prisijungia čia
Fosfatai
prisijungia čia

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
 Tačiau 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, esančias priešingose grandinėse
 t.y., A su A, T su T, C su C, and G su G
 Tačiau 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
 Plačiau apie tai bus kalbama sekančioje paskaitoje
Erdvinė DNR struktūra

54. 2-54
DNR apsiveja
apie histoninius
baltymus

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, išsikišančias 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