Molekulinės biologijos konspektas

PIRMA PASKAITA Centrinė molekulinės biologijos dogma ir molekulinės biologijos mokslo raida • Dabar mes jau pripažįstame, kad molekulinė biologija nėra eilinis aspektas, kuriuo tiriamos biologinės sistemos. Ji yra reikalo esmė. • Beveik visi gyvybės aspektai turi molekulinį pagrindą, ir jeigu nesuprasime molekulių, labai miglotai suvoksime gyvybę. • Bet kokie tyrimų rezultatai aukštesniame biologinių sistemų lygmenyje tėra spėjimai, kol jie nepatvirtinti molekuliniame lygmenyje. Molekulinė biologija tiria: • Genetinės informacijos saugojimo, dauginimo, perdavimo ir raiškos mechanizmus; • Biopolimerų – baltymų ir nukleorūgščių struktūrą ir funkcijas. Molekulinė biologija išsivystė iš atskirų mokslų: Biochemijos Genetikos Ląstelės biologijos Bakteriologijos Ankstyvasis molekulinės biologijos vystymosi tarpsnis: XX a. pradžia – iki 1953 m. Pirmą kartą terminą „molekulinė biologija“ pasiūlė V. Vyveris (Warren Weaver), Rokfelerio fondo gamtos mokslų skyriaus direktorius (1938). T. H. Morganas (Tom Hunt Morgan) (apie 1930 m.) ir jo bendradarbiai įrodė, kad genas yra chromosomos dalis. Tačiau genų cheminių ir kitų savybių genetikai ištirti negalėjo. Šia problema susidomėjo fizikai. Klasikinis molekulinės biologijos vystymosi tarpsnis (1953-2000) Kartu su F. Kriku, J. Votsonas sukūrė ir 1953 m. paskelbė DNR erdvinės struktūros modelį ir pasiūlė galimą DNR biosintezės – replikacijos būdą. D.Votsonui, F. Krikui ir M. Vilkinsui už DNR struktūros išaiškinimą 1962 m. buvo skirta Nobelio premija. Rusų kilmės mokslininkas D. Gamovas (George Gamov) 1954 m. pirmasis pasiūlė, kad DNR struktūrinių komponentų – nukleotidų trejetai kažkokiu būdu apsprendžia baltymų aminorūgštis. D. Votsonas iškėlė hipotezę, kad genetinės informacijos perdavimo procese galėtų būti RNR molekulės. F. Krikas pasiūlė, kad aminorūgštis į baltymų biosintezės vietą galėtų transportuoti mažos RNR molekulės. Neužilgo tokios molekulės – pernašos RNR (tRNR) buvo atrastos. 1960 m. buvo atrastos ir informacinės RNR (iRNR). Iki 1966 m. H. Matejus (Henrich Mattaei), M. Nirenbergas (Marschall Nirenberg) ir G. Korana (Gobind Khorana) nustatė, koks DNR nukleotidų sekos trejetas kokią aminorūgštį koduoja. 1957 m. F. Krikas suformulavo „centrinę molekulinės biologijos dogmą“, anot kurios biologinė informacija yra saugoma deoksiribonukleorūgščių (DNR) molekulėje (genuose). Centrinės biologijos dogma teigia, kad genetinės informacijos pernaša iš DNR į baltymą yra galima, o atvirkščiai – ne. DNR yra biologinės informacijos saugykla. Pastarųjų metų molekulinės biologijos tyrimai atskleidė naujų faktų, „koreguojančių“ centrinę dogmą. Atrasti prionai – baltymai, sukeliantys neurodegeneracines ligas – gyvūnų spongioforminę encefalopatiją ir žmogaus Kreucfeldo–Žakobo (angl. Creuzfeld-Jacob's) sindromą 1965 m. R. Holėjus, H.G. Korana, M. Nirenbergas ir H. Matėjus (Robert Holley, Har Gobind Khorana, Marshall W. Nirenberg, Heinrich Mattaei) išaiškino genetinį kodą. 1961 m. F. Žakobas (Francois Jacob) ir Ž. Mono (Jacques Monod) atrado, kad bakterijų (E. coli) genų, svarbių laktozės metabolizmui, veikla gali būti koordinuotai reguliuojama pasitelkiant slopintoją. Neužilgo toks baltymas slopintojas buvo nustatytas ir apibūdintas. Buvo išaiškinta, kad baltymas sąveikauja su DNR ir tokiu būdu reguliuoja genų veiklą. Ilgainiui tapo aišku, kad genų veiklos reguliavimo būdas reguliacijoje dalyvaujant su DNR sąveikaujantiems baltymams – aktyvintojams bei slopintojams – yra būdingas visiems organizmams. 7-asis praėjusio amžiaus dešimtmetis buvo labai svarbus tolesniam molekulinės biologijos vystymuisi, nes buvo sukurti rekombinantinės DNR konstravimo bei DNR nukleotidų sekos nustatymo metodai. Šie metodai davė pradžią naujai pramonės šakai – biotechnologijai 1972 m. amerikiečių mokslininkai H. Bojeris (Herb Boyer) ir S. Kojenas (Stanley Cohen), panaudodami restrikcijos endonukleazę ir DNR ligazę, sukūrė pirmąją rekombinantinę DNR molekulę – plazmidę, turinčią genus, lemiančius atsparumą kanamicinui ir tetraciklinui. Tuo pat metu, nepriklausomai vienas nuo kito, V. Žilbertas (Wally Gilbert) ir F. Sengeris (Fred Sanger) sukūrė DNR nukleotidų sekos nustatymo cheminį ir fermentinį būdus. Fermentinis DNR nukleotidų sekos nustatymo būdas iki šiol naudojamas organizmų genomų nukeotidų sekai nutatyti. Pogenominismolekulinės biologijos vystymosi tarpsnis (2000 m. – iki dabar) 2000 m. beveik buvo baigtas ne tik žiniasklaidos plačiai išgarsintas Žmogaus genomo projektas, ŽGP (angl. Human Genome Project), bet taip pat buvo nustatytos ir kitų eukariotinių bei prokariotinių organizmų genų sekos. Taigi, dabartinį molekulinės biologijos vystymosi laikotarpį pagrįstai galima vadinti pogenomine era. Vykdant ŽGP (žmogaus genomo projektą) buvo nustatyta, kad žmogaus genome yra „tik“ ~ 30 000 genų, o visas genomas sudarytas iš kiek daugiau nei 3,4x109 nukleotidų porų. Pasirodė, kad žmogaus genome yra mažiau nukleotidų nei pvz., pelės, pušies (Pinus) ar pirmuonies – amebos (Amoeba dubia) genomuose. Šis faktas ne vieną stulbino ir nuvylė, kartu liudydamas, kad ne genomo dydžiu galima paaiškinti organizmų ir juose vykstančių biologinių procesų sudėtingumą. Pogenominėje eroje buvo sukurtos technologijos (proteomo tyrimai, genomų ir jų raiškos tyrimai DNR mikrogardelėmis), leidžiančios analizuoti visus ląstelės baltymus, viso genomo sudėtinių dalių ir genomo raiškos pokyčius. Naujai sukurtų pogenominių technologijų dėka buvo imta lyginti įvairių stadijų patologijų audinius. Šiandienos molekulinei biologijai ne tiek svarbu nustatyti biologinių molekulių (DNR, RNR, baltymų) hierarchiją, kiek svarbu suprasti, kaip ir kokia genomo koduojama informacija veikia kiekvienoje organizmo ląstelėje. Rentgenostruktūrinė biomolekulių analizė. Šis metodas remiasi spindulių, einančių per kokį nors reguliarios, pasikartojančios struktūros objektą, difrakcija, kai spindulių, perėjusių per pasikartojančios šios struktūros elementus, bangos tam tikromis kryptimis stiprina viena kitą, o kitomis kryptimi – silpnina. Perėję objektą, spinduliai sudaro difrakcinį vaizdą – didesnio ar mažesnio ryškumo dėmių visumą, kurias galima užregistruoti, pvz., rentgeno juostoje. Kad difrakcijos vaizdas būtų geras ir ryškus, yra svarbu, kad spinduliuotės bangos ilgis būtų trumpesnis už reguliarų atstumą tarp tiriamos struktūros elementų. Tokiu būdu tirti biologines molekules rentgeno spinduliais yra patogu, nes jų bangos ilgis sudaro tik nanometro dalis. Skirtingų erdvinių struktūrų, tiriant jas rentgeno struktūrinės analizės metodu, difrakcijos vaizdai yra skirtingi. Būtent DNR pluošto kokybiški rentgeno analizės duomenys, gauti R. Franklin ir pasitarnavo sukuriant DNR erdvinės struktūros modelį. Šiuolaikinėje biologinių makromolekulių analizėje yra naudojami jų kristalai, gaunami iš labai grynų molekulių preparatų. Trimatis jų išsidėstymas kristale gali būti labai įvairus Pagrindiniai rentgeno struktūrinės analizės etapai, norint nustatyti tam tikros makromolekulės erdvinę struktūrą, yra: 1. Gerų makromolekulės kristalų gavimas. Dažniausiai tai yra vienas sunkiausių darbo etapų. Reikia gauti geros kokybės kristalus, kurių dydis būtų kelios dešimtosios milimetro. Kristalai, kurie yra perdaug maži, nėra tinkami analizei, nes jų difrakcijos vaizdai nėra ryškūs. Dar ir mūsų dienomis gauti gerus kristalus yra daugiau menas, nei mokslas; 2. Kristalo difrakcijos vaizdų gavimas ir daugelio dėmių intensyvumų įvertinimas; 3. Makromolekulės kristalo, turinčio izomorfinius pakaitus, gavimas. Šie pakaitai įvedami, nes dažnai dalis informacijos grynos molekulės difrakcinio vaizdo dėmėse yra “paslėpta”. Įvedus į makromolekulės kristalą izomorfinį pakaitą, kuris nekeičia jos struktūros, pvz., sunkiojo metalo gyvsidabrio ar platinos atomus ir žinant, kokį pokytį į difrakcinių dėmių intensyvumą šie metalo atomai įneš, tiksliau įvertinamas ir pačios makromolekulės struktūrinių elementų išsidėstymas; 4. 1 ir 2 etapo kartojimas su makromolekulės kristalu, turinčiu izomorfinius pakaitus; 5. Elektronų tankio pasiskirstymo molekulėje nustatymas, remiantis makromolekulės kristalo difrakciniais vaizdais. ši procedūra atliekama kompiuterine analize. Reikšmingiausi atradimai, įtakoję molekulinės biologijos mokslo atsiradimą ir tolesnę jo raidą (iki 1953 m.) 1865 G. Mendelis (Gregor Mendel) atliko paveldimumo fenotipinius tyrimus ir juos aprašė 1869 F. Mišeris (Friedrich Miescher) atrado "nukleiną" (pūliuose ir žuvų spermoje) 1887 A. Veismanas (August Weismann) aprašė chromosomų dalijimąsi 1899 R. Altmanas (Richard Altman) išskyrė iš “nukleino” baltymus ir nukleorūgštis Atsirado terminas nukleorūgštis 1900 Chemikai aprašė visas azotines bazes 1902 V. Sutonas (Walter Sutton) aprašė mejozę ir spermatogenezę vabzdžiuose "Chromosominė paveldimumo terorija" 1911 T.H. Morganas (Thomas Hunt Morgan) atrado chromosomų sukibimą ir krosingoverį drozofiloje 1913 A. Stiurtevantas (Alfred Sturtevant) pirmą kartą nustatė genų padėtis chromosomoje 1924 R. Fuelgenas (Robert Fuelgen) citochemiškai nudažė DNR 1928 F. Grifitas (Fred Griffith) atrado DNR transformaciją naudodamas pneumokokus 1930 P. Levenas (Phoebe Levene) atrado deoksiribozę 1933 T. Painteris (Ted Painter) atrado politenines chromosomas 1941 D. Bidlis ir E. Tatumas (George Beadle & Ed Tatum) suformulavo teiginį "vienas genas – vienas fermentas” 1944 O. Eiveris, M. Makliaudas ir K. Makkartis (Oswald Avery, Maclyn MacLeod & Colin McCarty) įrodė genetinį DNR vaidmenį ("DNR yra genetinė medžiaga") 1949 E. Čargrafas (Erwin Chargaff) ištyrė DNR nukleotidų sudėtį („Čargrafo taisyklės“) 1952 A. Heršis ir M. Čeiz (Alfred Hershey & Martha Chase) naudodami 32P ištyrė viruso DNR replikaciją 1953 D. Votsonas ir F. Krikas (James Watson &Francis Crick) Sukūrė DNR erdvinės struktūros modelį 1953 F. Sengeris (Fred Sanger) sekvenavo 1–ąjį baltymą – insuliną 1950 P. Mitčelas (Peter Mitchell) ištyrė chemiosmozę – kaip ląstelės gamina ATF ir suformulavo chemiosmotinę hipotezę 1952 L. Polingas ir R. Korėjus (Linus Pauling & robert Corey) atrado baltymų α-spiralę Klasikinis molekulinės biologijos vystymosi tarpsnis (1953-2000). 1953 F. Sengeris (Fridrich Senger) nustatė pirmojo baltymo – insulino aminorūgščių seką 1954 G. Gamovas (George Gamow) pasiūlė, kad DNR koduoja baltymus 1957 F. Krikas (Francis Crick) iškėlė “sekos hipotezę” ir suformulavo centrinę molekulinės biologijos dogmą 1958 M. Mezelsonas ir F. Štalis (Matt Meselson & Frank Stahl) eksperimentiškai įrodė pusiaukonservatyvų DNR replikacijos būdą 1959 A. Kornbergas (Arthur Kornberg) iškyrė ir nustatė, kaip veikia RNR polimerazė 1960 D. Kendriu ir M. Perutcas (John Kendrew & Max Perutz) pirmą kartą nustatė baltymo (hemoglobino ir mioglobino) erdvinę struktūrą 1960 P. Dotis ir D. Marmuras (Paul Doty & Jay Marmur) atrado DNR hiperchrominį efektą 1961 S. Breneris, F. Žakobas, M. Mezelsonas (Sydney Brenner, Francois Jacob & Matthew Meselson) atrado informacinę RNR (iRNR) 1961 A. Lvovas, F. Žakobas, Ž. Mono (Andre Lvov, Fransua Jacob, Jac Mono) atrado fermentų biosintezės genetinį valdymą 1963 D. Vinogradas (Jerome Vinograd) atrado DNR superspiralizaciją 1965 R. Holėjus, H.G. Korana, M. Nirenbergas ir H. Matėjus (Robert Holley, Har Gobind Khorana, Marshall W. Nirenberg, Heinrich Mattaei) išaiškino genetinį kodą 1967 A. Korbergas (Arthur Kornberg) sintezavo biologiškai aktyvią DNR in vitro 1968 S. Kojenas (Stanley Cohen) atrado plazmides ir atsparumą antibiotikams 1969 M. Edmonds (Marry Edmonds ir M. Caramela) atrado polyA polimerazę 1970 H. Smitas (Hamilton Smith) atrado restrikcijos endonukleazę 1970 H.G. Korana (Har Gobind Khorana) cheminiu būdu sintezavo DNR 1970 D. Baltimorė ir H. Teminas (David Baltimore & Howard Temin) atrado atvirkštinę transkriptazę ir atvirkštinę transkripciją 1972 H. Bojeris (Herb Boyer) S. Kojenas (Stanley Cohen) sukūrė pirmąją rekombinantinę DNR 1975 V.Žilbertas, A. Maksamas, F. Sengeris (Walter Gilbert, Allan Maxam, Fred Sanger) sukūrė DNR sekvenavimo cheminį ir fermentinį metodus 1975 C. Milšteinas, D. Koleris ir N. Džimis (Cesar Milstein, Geo Kohler, & Niles Jeme) gavo monokloninius antikūnius 1977 R. Robertsas ir F. Šarpas (Richard Roberts & Philip Sharp) atrado splaisingą (intronai ir egzonai) 1978 Genentech kompanija pagamino humuliną – 1-ą vaistą panaudojus rekombinantinę DNR 1981 S. Altmanas ir T. Čechas (Sidney Altman & Tom Cech) atrado ribozimus 1983 K. Mulis (Kary Mullis) sukūrė polimerazinės grandininės reakcijos (PGR) metodą 1990 HGP – žmogaus genomo projektas. Prasidėjo projektas žmogaus DNR nukleotidų projektas sekai nustatyti 1990 F. Andersonas (French Anderson) 1-ą kartą panaudojo rekombinantinės DNR technologija gautą vaistą 1992 H. Noleris (Harry Noller) pasiūlė, kad peptidiltransferazė yra ribozimas 1992 E. Fišeris ir E. Krebsas (Edmund Fischer & Edwin Krebs) atrado baltymų fosforilinimą 1994 Calgene kompanija sukūrė 1-ą transgeninį augalą – pomidorą 1996 J. Vilmutas (Ian Wilmut) pirmą kartą klonavo žinduolį (avis Dolly) 1997 P. Bojeris ir D. Valkeris (Paul Boyer & John Walker) aprašė ATP-sintazės mechanizmą 1998 D. Tompsonas ir D. Gerhardas (James Thompson & John Gearhart) sukultūrino luripotentines (kamienines) ląsteles 1999 K. Venteris ir Celera kompanija (Craig Venter & Celera) nustatė vaisinės muselės (Drosophilla melanogaster) DNR nukleotidų seką Pogenominis molekulinės biologijos vystymosi tarpsnis 2000 - ŽGP – Žmogaus genomo projektas, K. Venteris (Celera kompanija). Paskelbta, kad nustatyta Žmogaus DNR nukleotidų seka (juodraštis) 2000 - ŽGP – Žmogaus genomo projektas, K. Venteris (Celera kompanija). Paskelbta visa Žmogaus DNR nukleotidų seka 2005 - JAV Nacionalinis žmogaus genomo tyrimų institutas - paskelbta šimpanzės (Pan troglodytes) nukleotidų seka 2006 - JAV Nacionalinis žmogaus genomo tyrimų institutas - paskelbtas rezus makakos (Macaca mulatta) nukleotidų sekos juodraštis 2008 – Osamu Shimomura, Martin Chalfie ir Roer Y. Tsien paskirta Nobelio premijos nominacija už žaliojo fluorescencinio baltymo atradimą ir vystymą. ANTRA PASKAITA Makromolekulių DNR ir RNR struktūra DNR ir RNR molekulės yra sudarytos iš struktūrinių monomerų – nukleotidų Polinukleotidinė grandinė yra nukleorūgščių pirminė struktūra Nukleotidus sudaro: Monosacharidai (pentozės): 2’-deoksi-D-ribozė (deoksiribonukleotiduose, kurie yra DNR sudėtyje) D-ribozė (ribonukleotiduose, kurie yra RNR sudėtyje) Iš sacharidų molekulių pavadinimų yra kilę ir DNR bei RNR pavadinimai – deoksiribonukleorūgšis - DNR ir ribonukleorūgštis – RNR. Heterociklinės bazės, sutinkamos DNR sudėtyje: Purinai (turi purino žiedą): adeninas (A) ir guaninas (G) Pirimidinai (turi pirimidino žiedą): citozinas (C) ir timinas (T). Heterociklinės bazės, sutinkamos RNR sudėtyje: Purinai: adeninas (A) ir guaninas (G); Pirimidinai: citozinas (C) ir uracilas (U) Monosacharidai (pentozės) ir Heterociklinės bazės sudaro nukleozidus. Nukleozidai su fosforo rūgšties liekana sudaro nukleotidus. Fosforo rūgšties liekana (arba fosforilgrupė) yra prijungiama prie nukleozido monosacharido vienos iš hidroksilo grupių esterinant nukleozidus fosforo rūgštimi. Kitaip – nukleotidai yra nukleozidų fosforo rūgšties esteriai, arba fosforilinti nukleozidai. Esteriai yra alkoholių (monosacharidai yra polialkoholiai) ir rūgščių (fosforo rūgštis - H3PO4) reakcijos produktai. Laisvuose nukleotiduose fosforilgrupės gali būti prijungiamos prie monosacharidų 5’, 3’, 2’- hidroksigrupių. Dažniausiai esterinama OH grupė, esanti prie ribozės (deoksiribozės) C5‘ atomo. Fosforo rūgšties liekanos vieta nukleotido molekulėje nurodoma skaičiumi o pavadinime naudojamas žodis „fosfatas“. Pavyzdžiui, nukleozidas adenozinas, prie kurio deoksiribozės 5‘-C atomo yra prijungta viena fosforilgrupė, vadinamas deoksiadenozino 5‘-monofosfatu (sutrumpintai dAMP). Nukleozidas adenozinas, prie kurio ribozės C3‘-atomo yra prijungta viena fosforilgrupė, vadinamas adenozino 3‘-monofosfatu (sutrumpintai 3‘-AMP). 5‘- padėtyje esančios fosforilgrupės nežymimos (ATP), o esančios 3‘-padėtyje – žymimos (3‘-AMP). Nukleotidai dėl fosfato rūgšties liekanos dar yra vadinami ir rūgštimis. Pvz., AMP – adenilo rūgštis (adenilatas), UMP – uridilo rūgštis (uridilatas) ir t.t (Fosfato pagalba gretimi nukleotidai jungiasi vienas su kitu į plinukleotidinę DNR grandinę Polinukleotidinė grandinė atrodo kaip konstrukcija, kurią sudaro per fosfatus jungiamos deoksiribozės molekulės. Vieno nukleotido deoksiribozės anglies atomas 3’ padėtyje sujungtas su gretimo nukleotido anglies atomu 5’ padėtyje vienu bendru fosfatu. Dėl tokio nukleotidų jungimo viename polinukleotidinės grandinės gale yra deoksiribozės 5’ anglies atomas, o kitame – 3’.)  DNR antrinė struktūra DNR molekulę sudaro dvi tarpusavyje komplementarios polinukleotidinės grandinės. Polinukleotidinės grandinės, susijungusios vandeniliniais ir hidrofobiniais ryšiais sudaro spiralizuotą antrinę struktūrą. Dvigrandės DNR erdvinė struktūra yra antrinė šios molekulės struktūra. DNR antrinės struktūros modelį 1953 m. pasiūlė D. Votsonas ir F. Krikas Praėjusio šimtmečio šeštojo dešimtmečio pradžioje buvo žinoma, kad: • DNR yra sudaryta iš nukleotidų. Kiekvieną nukleotidą sudaro fosforo rūgšties liekana, deoksiribozė ir viena iš keturių heterociklinių bazių; • Heterociklinės bazės nukleotiduose yra prijungtos prie ribozių; • Ilgos nukleotidų grandinės gali susidaryti susijungiant ribozėms-fosfatams su heterociklinėmis bazėmis; • Keturių heterociklinių bazių kiekiai DNR skiriasi, tačiau adenino visada yra tiek pat kiek timino (A/T=1), o guanino tiek pat, kiek citozino (G/C=1). Šis teiginys yra žinomas kaip E. Čargrafo (Ervin Chargraff) taisyklės • DNR molekulės tankio matavimai liudijo, kad ji gali būti sudaryta iš dviejų grandinių. Išanalizavę labai kokybiškus DNR pluošto rentgeno spindulių difrakcijos vaizdus, gautus R. Franklin ir apibendrinę tuo metu buvusias žinias apie DNR savybes, D. Votsonas ir F. Krikas pasiūlė, kad: DNR molekulė yra sudaryta iš dviejų priešingų krypčių dešiniojo sukimo polinukleotidinių grandinių (DNR duplekso), kurios erdvėje sudaro spiralę, susuktą apie tariamą ašį. Dvigrandėje DNR priešingos DNR polinukleotidinės grandinės turi būti antilygiagrečios, kad molekulė išlaikytų pastovią struktūrą: viena grandinė orientuota 3’→5’ kryptimi, o kita – priešinga, t.y. 5’→3’ kryptimi: Votsonas ir Krikas genialiai numatė ne tik heterociklinių bazių sąveiką DNR molekulėje. Jie nusakė ir dviejų DNR grandinių komplementarumo principą, kuris yra genetinės informacijos perdavimo ir tuo pačiu gyvybės tęstinumo esmė: Jei dvigrandėje DNR molekulėje A visuomet sąveikauja, t,y., komplementarus T, o G visuomet sąveikauja, t.y., komplementarus C, tai atskyrus dvi DNR polinukleotidines grandines, naujos grandinės gali būti kopijuojamos matrica naudojant atskiras duplekso grandines pagal komplementarumo principą. Dvigrandėje DNR molekulėje guanino heterociklinių bazių yra tiek pat, kiek ir citozino, o adenino – tiek pat, kiek timino. RNR molekulės sudėtyje esanti ribozė turi 2’ – OH grupę, kas sąlygoja kitokią RNR molekulės erdvinę struktūrą, negu DNR. Tai yra vienas esminių RNR ir DNR stuktūrinių skirtumų. DNR struktūra lokaliai gali kisti, priklausomai nuo aplinkos ir pačios DNR savybių. DNR gali įgyti keletą skirtingų erdvinių struktūrų tipų. DNR spiralių B, A, Z šeimų ypatybės B formos DNR spiralė B formos DNR molekulę sudaro dvi antilygiagrečios polinukleotidinės grandinės. B formos DNR sudaro dešinio sukimo DNR spiralę. Spiralės viduje yra išsidėstę heterociklinės bazės. Priešingose polinukleotidinėse grandinėse esančios komplementarios heterociklinės bazės yra beveik statmenos tariamai spiralės ašiai. Vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp bazių porų, stabilizuoja DNR dupleksą, tačiau ne jie yra pagrindinė DNR duplekso stabilumo dedamoji • Atstumas tarp kiekvienos bazių poros dvigubos DNR spiralės viduje yra 3.4 Å (0.34 nm). • Tarp greta esančių komplementarių azotinių bazių aromatinių žiedų plokštumų susidaro nekovalentinio tipo van der Valso ryšiai. • Tokia sąveika tarp heterociklinių bazių porų DNR molekulėje dar vadinama stekingo sąveika. Stekingo sąveika tarp heterociklinių bazių vaidina svarbiausią vaidmenį stabilizuojant B formos DNR erdvinę struktūrą. Stekingo sąveikos prigimtis nėra gerai suprasta. • Kiekviena heterociklinių bazių pora yra pasisukusi kitos bazių poros atžvilgiu ~36° kampu. • Kiekviename visiškame B formos DNR spiralės sūkyje telpa ~10 heterociklinių bazių porų. • B formos DNR spiralės išorėje yra 2’-deoksiribozės kartu su neigiamai įkrautomis fosforo rūgšties liekanomis. • Fosforilgrupė, esanti nukleorūgščių sudėtyje, pasižymi stipriomis rūgštinėmis savybėmis. • DNR fiziologinėmis sąlygomis yra įkrauta neigiamai. • DNR paviršius yra hidrofiliškas. A formos DNR spiralė DNR pereina iš B formos į A formą, kai jos aplinkoje santykinis drėgnis sumažėja iki 75% (dehidratacija), o NaCl koncentracija tampa mažesnė negu 10%. A formos DNR yra labai jau“ kampuota” ir “išsipūtusi” struktūra palyginti su B formos DNR. Šios konformacijos DNR spiralė taip pat yra dešinio sukimo, o viename spiralės spiralės žingsnyje “telpa” ~11 nukleotidų. Nukleorūgščių erdvinė A forma yra biologiškai svarbi – šios formos gamtoje yra DNR/RNR heterodupleksai ir dvigrandė RNR. Z formos DNR DNR Z formos spiralę aptiko 1979 m. lietuvių kilmės mokslininkas A. Ričas (Alexander Rich) • Pati būdingiausia Z-formos DNR savybė yra ta, kad šios DNR spiralė yra ne dešinio sukimo, bet kairiojo; • Z formos DNR spiralė yra “ilgesnė” palyginus su A ir B-formomis, o jos viename sūkyje telpa 12 nukleotidų; • Šoninės Z formos DNR fosforo rūgšties liekanos išsidėsto zigzagu (iš čia kilęs pavadinimas, Z forma) apie spiralę. DNR Z formai tirpale susidaryti reikia, kad jame būtų: • Didelė druskų koncentracija (pvz., 3-4 M NaCl); • DNR nukleotidų sekoje periodiškai besikaitaliotų pirimidinų – purinų nukleotidų sekos Neįprastos DNR antrinės struktūros: • “Kryžiaus” formos DNR • Triguba DNR spiralė • H forma “Kryžiaus” formos DNR (angl. cruciform DNA) susidaro palindromines sekas turinčioje DNR. Palindrominės DNR - tai tokios DNR kada ta pati grandinė koduoja ir tiesioginę ir jai komplementarią seką. Toje pačioje grandinėje esančios palindrominės DNR komplementarios sritys sąveikauja tarpusavyje – susidaro segtuko pavidalo atšakos. Triguba DNR spiralę sudaro trys DNR grandinės. DNR triguba spiralė gali susidaryti ne tik iš trijų atskirų polinukleotidinių grandinių, bet ir iš dvigrandės DNR. Tokia triguba DNR spiralė dar vadinama H forma. Ją sudaro trys DNR polinukleotidinės grandinės, kurių vienoje grandinėje yra vien tik pirimidinų azotinės bazės (homopirimidininė grandinė), o kitoje - vien tik purinų azotinės bazės (homopurininė grandinė). Struktūrai susidaryti palanki vadinamoji veidrodinė pasikartojančios sekos simetrija. DNR tretinė struktūra Dviguba DNR spiralė gali sudaryti erdvėje tretinę struktūrą – superspiralizuotą DNR. Ją gali įgyti uždara žiedinė dvigrandė DNR, taip pat linijinė DNR, jeigu jos galai yra fiksuoti. Superspiralizuota DNR yra tokia struktūra, kuri ilgio vienete turi daugiau nukleotidų, nei įprasta standartinė struktūra. Jeigu superspiralizacijos kryptis priešinga DNR dvispiralinės struktūros sukimosi krypčiai – superspiralizacija yra neigiama, o jeigu superspiralizacijos kryptis sutampa su DNR spiralės sukimosi kryptimi– superspiralizacija yra teigiama RNR antrinė ir tretinė struktūra RNR molekulėms yra būdinga antrinė struktūra, kuri susidaro dėl vidumolekulinės sąveikos tarp tos pačios RNR molekulės heterociklinių bazių porų. Antrinė RNR struktūra yra RNR erdvinės struktūros organizacinis pagrindas. Tretinėje RNR struktūroje antrinės struktūros elementai gali sąveikauti tarpusavyje. Taip, pavyzdžiui, susidaro RNR pseudomazgai. Geriausiai ištyrinėtos ir žinomos ribonukleino rūgštys yra: • Nedidelio ilgio transportinės RNR (tRNR), kurios dalyvauja transliuojant informacines RNR (mRNR) į baltymus; • Ribosominės RNR (rRNR), kurios ribosomose sudaro struktūrinį ir funkcinį pagrindą peptidinėms jungtims transliuojamose baltymų molekulėse susiformuoti; • Ilgos informacinės RNR (mRNR), kuriuose yra nuo DNR transkripcijos metu nurašyta informacija. Didžioji dalis mRNR molekulių turi informaciją apie baltymų amino rūgščių sekas. Be šių RNR molekulių ląstelėse yra daug mažų RNR molekulių, kurios dalyvauja įvairiuose biologiniuose procesuose: mRNR splaisinge ir redagavime, tRNR pirmtakų brendime, rRNR metilinime, baltymų transporte per membranas, DNR replikacijoje. TRECIA PASKITA CHROMATINO STRUKTŪRA Beveik visa eukariotų DNR yra branduolyje. Kartu su baltymais ji sudaro savitą dinamišką struktūrą – chromatiną Chromatinas tam tikru ląstelės ciklo tarpsniu – mitozės metu įgyja dar kompaktiškesnę būseną, iš jo susidaro individualios struktūros – chromosomos. Kiekvienos žmogaus somatinės ląstelės branduolyje yra 2 x 3.2 x 109 nukleotidų porų DNR, pasiskirsčiusi 46 chromosomose. Chromosomas sudaro labai ilgos DNR molekulės. Iš viso susidarytų ~ 2 m ilgio DNR siūlas. DNR telpa branduolyje, kurio skersmuo ~ 6-10 μm. Didžioji dalis DNR chromatine yra struktūriškai neprieinama ir funkciniu požiūriu neaktyvi. Toks chromatinas yra vadinamas heterochromatinu. Tik nedidelė dalis chromatino DNR sekų yra aktyvios, t.y., transkribuojamos. Toks chromatinas vadinamas euchromatinu. CHROMATINO STRUKTŪRA Beveik visa eukariotų DNR yra branduolyje. Kartu su baltymais ji sudaro savitą dinamišką struktūrą – chromatiną Chromatinas tam tikru ląstelės ciklo tarpsniu – mitozės metu įgyja dar kompaktiškesnę būseną, iš jo susidaro individualios struktūros – chromosomos. Kiekvienos žmogaus somatinės ląstelės branduolyje yra 2 x 3.2 x 109 nukleotidų porų DNR, pasiskirsčiusi 46 chromosomose. Chromosomas sudaro labai ilgos DNR molekulės. Iš viso susidarytų ~ 2 m ilgio DNR siūlas. DNR telpa branduolyje, kurio skersmuo ~ 6-10 μm. Didžioji dalis DNR chromatine yra struktūriškai neprieinama ir funkciniu požiūriu neaktyvi. Toks chromatinas yra vadinamas heterochromatinu. Tik nedidelė dalis chromatino DNR sekų yra aktyvios, t.y., transkribuojamos. Toks chromatinas vadinamas euchromatinu. Nukleosoma – chromatino struktūrinis ir reguliacinis vienetas 1974 m. Rodžeris Kornbergas (Rodger D. Kornberg) pasiūlė chromatino struktūros modelį. Jis iškėlė nukleosomų hipotezę anot kurios, chromatino pamatą sudaro pasikartojantys elementai – nukleosomos. Nukleosomose DNR apsisuka apie baltymų histonų šerdį, o chromatine yra išsidėsčiusios į grandinėles – chromatino siūlus. Nukleosoma yra pagrindinis chromatino struktūrinis ir reguliacinis elementas. Nukleosomos evoliucijos požiūriu yra labai konservatyvios ir sutinkamos visų eukariotų chromatine. ~80-95% genominės DNR yra nukleosominės struktūros. Pagrindiniai nukleosomos organizacijos principai yra šie: • Nukleosomos histoninę šerdį sudaro po dvi keturių rūšių histonų molekules: H2A, H2B, H3 ir H4; • Baltymų histonų masė yra lygi DNR masei, histonų oktameras asocijuoja su maždaug 200 nukleotidų porų DNR; • Histonų oktameras yra kompaktiška struktūra, apie kurią apsivynioja DNR; • Su viena nukleosoma chromatine yra susijungusi maždaug viena jungties histono molekulė (pvz., H1) Nukleosoma yra pirmasis chromatino organizacijos lygmuo Klasikinis chromatino struktūrinės organizacijos eukariotų branduolyje modelis apima keletą tarpinių chromatino struktūrų: • “nuoga” DNR (k.l. – 1*); • nukleosomos, organizuotos į 10 nm chromatino fibrilę (k.l. - 6-7); • 30 nm chromatino fibrilė-solenoidas (k. l. - 30-40); • chromatino kilpa (k.l. - 1000); • mitozinė chromosoma (k.l. - 10000-100000). (*k.l.– kompaktizacijos laipsnis, nurodantis, kiek mm DNR sutelpa į vieną atitinkamos struktūros ilgio mm). Yra pasiūlytas ir kitas skirstymas chromatino kompaktiškumui įvertinti: Pirmąjį chromatino lygį sudaro nukleosomos grandinėlėje; Antrąjį chromatino lygį sudaro tarpusavyje sąveikaujančios nukleosomos (pvz., 30 nm chromatino fibrilė); Trečiąjį chromatino lygį sudaro tarpusąvyje sąveikaujančios antrinio lygio struktūros. Molekulinė nukleosomos organizacija Šerdinė nukleosominė dalelė Rentgenostruktūrinė analizė patvirtino, kad nukleosomoje DNR apsiveja apie histonų šerdį 1.65 karto kairiojo sukimo spirale. Nukleosoma primena cilindrą, kurio plotis yra 6 nm, o skersmuo - 11 nm. “Įeinančioji” ir “išeinančioji” DNR grandinės nukleosomoje išsidėsčiusios netoli viena kitos. Šerdinė nukleosominė dalelė Rentgenostruktūrinė analizė patvirtino, kad nukleosomoje DNR apsiveja apie histonų šerdį 1.65 karto kairiojo sukimo spirale. Nukleosoma primena cilindrą, kurio plotis yra 6 nm, o skersmuo - 11 nm. “Įeinančioji” ir “išeinančioji” DNR grandinės nukleosomoje išsidėsčiusios netoli viena kitos. Rentgenostruktūrinė šerdinės nukleosominės dalelės analizė parodė, kad: • Histonai ir DNR sąveikauja tarpusavyje kas dešimt nukleotidų porų. • Nustatyta elektrostatinė sąveika tarp histonų amino rūgščių bei DNR fosfatinių grupių. • Nustatyta nepolinė sąveika tarp amino rūgščių bei dezoksiribozių. • Sąveika tarp histonų ir DNR heterociklinių bazių neužregistruota. Histonų ir DNR sąveikai nebūdingas DNR sekos specifiškumas: histonų oktameras gali apsivynioti bet kurią DNR. In vivo egzistuoja tam tikras nukleosomų specifiškumas DNR sekoms: • Chromatino reguliacijai labai svarbi nukleosomos savybė yra tai, kad histonų, sudarančių nukleosomos šerdį, N-galai yra išlindę į nukleosomos išorę. • Svarbi nukleosomos savybė yra ta, kad DNR spiralėje, apsivejančioje šerdinius histonus, apie 90%). Telomeros ir branduolio organizacija • Telomeros yra svarbios ne tik replikacijai ir telomerų galų apsaugojimui, bet reikalingos chromosomų poroms susidaryti, mejotinių ir mitotinių chromosomų segregacijai ir branduolio organizacijai. • Telomerų išsidėstymas branduolyje yra labai savitas ir priklauso nuo telomerų sąveikos su branduolio apvalkalėliu. • Telomeros sąveikauja ir tarpusavyje.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!