Биологија Тема 2: Молекуларна Биологија PDF

БИОЛОГИЈА ТЕМА 2: МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЈА 1. Како основни дисциплини во молекуларната биологија ги среќаваме биохемијата и генетиката. Тие се две различни науки кои имаат иста цел. Сакаат да ја откријат основната функционална единица за да ги објаснат биолошките процеси во биолошките системи. Гене...

БИОЛОГИЈА ТЕМА 2: МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЈА 1. Како основни дисциплини во молекуларната биологија ги среќаваме биохемијата и генетиката. Тие се две различни науки кои имаат иста цел. Сакаат да ја откријат основната функционална единица за да ги објаснат биолошките процеси во биолошките системи. Генетичарите ги проучуваат и откриваат гените, додека биохемичарите се задолжени за ензимите. Како современа биолошка дисциплина ја имаме молекуларната биологија. Основа за развивање на молекуларната биологија се проучување на физичките и хемиските својства на нуклеинските киселина, протеините нивната синтеза во прокариотска и еукаритоска клетка. Гените се оние кои ја определуваат структурата на ензимите и ги регулираат животните процеси во клетката. - - Нуклеинските киселини се макромолекули што значи дека тие имаат голема маса. Изолирани се прв пат од клеточното јадро (Miescher 1972) од каде и доаѓа името поради јадрото или неговото латинско име нуклеус. Полимери или полинуклеотиди? Ова име е поради нивниот состав. Тие се составени од многу нуклеотиди. Кај молекулите на РНК имаме од 100 до 100 000 нуклеотиди, додека кај ДНК од неколку илјади па се до мидлиони нуклеотиди во зависност од организмот. - Азотна база- ковалентно е врзана со првиот С- атом на пентозата и гради нуклеозид. Такви се : - - - - - - - - **Овие нуклеозиди доколку ги споиме со фосфатна група би добиле еден нуклеотид.** Фосфатна група- фосатната група поврзува два нуклеотиди со фосфодиестерска врска која го врзува петтиот С- атом на едната пентоза односно 5' и третиот С- атом на другата пентоза или 3'. Секогаш во овие нуклеоридни низи останува една слободна фосфатна група на едниот крај на пентозата кај 3' и една кај 5'. На овој начин се изградени ***полинуклеотидните низи.*** *Нуклеотидите се мономерни единици за синтеза на нуклеински киселини, тие се продукт на хемиската хидролиза на нуклеинските киселини.* Се разликуваат два типа на нуклеински киселини: - - 1. Присутна е кај сите живи организми и кај некои вируси. Таа се наоѓа во јадрото на клетката и кај еукариотските клетки се нарекува уште и јадрена ДНК. Таа е градбена единка на хромозомите или кај нив ја имаме во нуклео-хистонски облик. Може да се сретне и во некои органели како митохондриите и хлоропластите, таа се нарекува екстрацелуларна или органелна ДНК. Нуклеоид е кружна молекула која нема хистонски протеин и таа ја имаме кај прокариотите. Нуклеоид кај ДНК во цитоплазмата на бактериите или плазмиди и епизоми која се нарекува плазмидна ДНК. Стуктура на ДНК *Ватсон и Кирк* во 1953 прв пат го предложиле нивниот модел на ДНК. Според нив молекулата на ДНК била составена од две полинуклеотидни низи кои се сврзани во двојна спирала и од таму е името двоен хеликс. Две полинуклеотидни низи се сврзани во двојна спирала преку азотни бази. Поврзувањето на базите се извршува со помош на водородни врски или мостови помеѓу пуринските бази од едната низа и примидинските бази од другата низа. Поврзаноста на базите е специфична. Аденинот секогаш се поврзува со тимин и обратно, додека цитозинот е секогаш сврзан со гванин. Аденин и тимин со две водородни врски, а цитозин гванин со три. Овие бази велиме дека се комплементарни парови. Тие се коплементарни низи и доколку го знаеме редоследот на едната лесно ќе го знаеме и на другата. За да се формира двоен хеликс овие две низи треба да се антипаралелни една на друга односно едната со насока 5' 3', другата со 3' 5'. Овие два краја секогаш се наоѓаат спротивно еден од друг. Едвин Чарграф Тој во 1940тите години утврдил дека безразлика на типот на ДНК (бактериска, растителна, животинска или човечка) соодносот на моларните концентрации на нуклеотидите е идентичен. Според Чарграфовите правила моларното количество на аденин и тимин мора да е еднакво како и количеството на цитозин и гванин. Моларните количества на овие четири азотни бази мора да формират 100% во нивната двоверижна ДНК. Тоа го иснесуваат Чарграфовите правила и принципот на комплиментарност. - Редоследот на базите по должината на ДНК- нуклеотидна секвенца - Двојниот хеликс или образувањето на водородни мостови помеѓу низите - Тридимензионална положба на ДНК молекулата во просторот или поставеноста/пакувањето на ДНК со хистонските протеини во јадрото на клетката. Функцијата на ДНК ДНК е матријален носител на генетската информација или упатството за синтеза на протеините кое е запишано во редоследот на азотните бази или нуклеотидите. Таа е составена од шифрирани податоци во форма на кодови за синтеза на сите видови на протеини и РНК молекули. Секој од овие триплети е код за одредена аминокиселина во протеинскиот молекул. Одговорна е за пренесувањето на наследните својства на организмите, таа го регулира одржувањето на видовите и менливоста преку мутации. ДНК- се разликува кај сите организми според бројот на базните парови и редоследот на базите. Физичката структура на ДНК може лесно да се измени без да се нарушат ковалентните врски (оние кои ги поврзуваат азотните бази). Загревањето и третирањето со бази ги кине водородните мосотви при што доаѓа до раскинувње на двете полинуклеотидни низи односно одвојување на хеликсот и остануваат само две посебни полинуклеотидни низи. **2. РЕПЛИКАЦИЈА НА ДНК И ВИДОВИ НА РНК** Постојат три виодви на репликација на ДНК или три можни случувања на репликација. - - - Експерименти на Мезелсон и Стал 1958 Овој експеримент има за цел да ја докаже полуконсервативната репликација со помош на размножување на ешерихија коли (лесно размножлива бактерија). Одгледување на бактеријата на хранлива подлога со радиоактивен изотоп 15/7 N. По пренесување на оваа бактерија на подлога со изотоп 14/7 N, веќе во првата генерација се забележува измена и појава на мутација односно создавање на една низа од 15/7 и друга 14/7. Со ова се догажува репликацијата на семиконзервативниот метод. Ензими на репликација Хеликазите се ензимите кои ги раскинуваат водородните врски, односно ја расплетуваат двојната спирала. Нуклеазите се оние кои ги раскинуваат фосфодиестерските врски меѓу нуклеотидите или ослободуваат слободни нуклеотиди. ДНК полимерази- создаваат нови нуклеотиди во правец 5' 3' ама само во тој правец. Лигази ги спојуваат нуклеотидите со фосфодиестерските врски. Топоизомераза е онаа што ги држи двете нишки на ДНК одвоени и исправени. Има ензими чија задача е да ги исправат погрешно сврзаните или оштетените нуклеотиди познати се како системи за репарација. Системи за попрвака на оштетениот ДНК молекул. Семиконзервативна репликација на ДНК Принцип на комплементарност Двојниот хеликс се раздвојува и по неговото раздвојување имам две посебни полинуклеотидни низи. Секоја мајчина низа е калап или модел за создавање на нова низа. Врз основа на секоја мајчина низа се создаваат две нови низи кои поради комплементарност се идентични на старата мајчина низа. Всушност со овој процес се создаваат две идентични мајчини низи. *Комплеменраноста на азотните бази овозможува точно пренесеувње на редоследот на азотните бази (генетската информација) во сите клетки на еден организам при клеточна делба.* Репликација на ДНК Репликацијата е важна особина на ДНК која служи за пренесување на наследната информација при трансформирање од мајкина до ќеркина клетка. Однсно пренесување од генерација на генерација преку размножување. Со овој процес секоја клетка добива идентично количество ДНК или наследен материјал. Се одвива во текот на интерфазата или S-периодот на клеточниот циклус. Таа е првата етапа при пренесување на генетската информација. **РНК/RNA** Тоа е единечна полинуклотидна низа. Составена е од рибонуклеотид (пентозен шеќер-рибоза), фосфатна група и азотна база. Има пурински азотни бази како аденин и гванин и пиримидински цитозин и урацил. Понекогаш може да се случи низата да се превитка но, тоа не значи дека се создала дво верижна низа туку е само резултат на извиткување на полинуклеотидната низа. Синтеза на РНК РНК се синтезира на каналот на една полинуклеотидна низа на ДНК во процесот на транскрипција или препишување според принципот на комплементарност.Според ова днк има комплементарен распоред на нуклеотидите со матричната ДНК низа на која се препишува. РАЗЛИКИ МЕЃУ ДНК И РНК ДНК- двоверижна низа изградена еод две полинуклеотидни низи или уште наречен двоен хеликс со пентозен шежер деоксирибоза и со азотни бази пуркински аденин и гванин и пиримидински цитозин и тимин. РНК- е едноверижна спирална молекула изградена од една полинуклеотидна низа со пентозен шеќер рибоза и со азотни бази аденин, гванин, цитозин и урацил. **ДНК е иста во сите клетки на еден организам, додека РНК молекулите се доста различни.** **Во различни клетки, па дури и во една клетка има различни видови на РНК молекули** Видови на РНК - - - Рибозомална или rRNA Има топчеста форма на молекула Тој е главна маса на молекулата на РНК и е составен дел на рибозомите кои синтезираат протеини. Се синтезира во нуклеусот од сегмент на ДНК што содржи сeкундарно стеснување на хромозомот. После препишувањето на ДНК, рРНК се сврзува со рибозомални протеини и создава рибозоми. Информационална РНК или iRNA/mRNA Линеарна полинуклеотидна низа која ја прима и препишува генетската информација од ДНК во текот на синтезата на протеини. ДНК се препишува на ист начин како принципот на комплиментарност односно преку транскрипција. Генетска информација се наоѓа во триплети или кодони кои се препишани со принцип на комплиментарност во иРНК. За синтеза на секој протеин има посебна иРНК. Бројот на иРНК молекулите е приближно ендаков со бројот на протеини кои ги синтезира. Не сите клетки во организмот синтезираат исти протеини. Тоа зависи од типот на клетката. Односно составот на иРНК молекулите е различен според функцијата на клетките. Транспортна tRNA Ги пренесува аминокиселините од цитоплазмата до рибозомите каде и се одвива синтезата на протеини. Секоја  tRNA пренесува само еден тип на аминокислеина што значи дека секоја аминокиселина си има своја спрецифична транспортна рнк. Тие имаат форма на детелина. Вирусна РНК vRNA РНК на вирусите може да се издвои како посебна РНК или како вирусна РНК. Нуклеинските киселини функционираат поврзано во пренесувањето на наследните својства и процесот на синтеза на протеини. **3. ГЕН, АЛЕЛИ И МУЛТИПЛИ АЛЕЛИ** Записот (генетската информација) за сите својства на едена единка се наоѓа во гените кои се составен дел на ДНК молекулата. Кај сите организми ДНК е изградена од 4 различни нуклеотиди чиј [различен редослед] во ДНК дава мноштво на различни. Генетската информација закодирана (запишана) во редоследот (последователноста) на азотните бази, слично на информацијата што се содржи во редоследот на буквите во една книга. Гените = молекуларни реченици Нуклеотидните букви = зборови Целокупен гентески материјал на зиготот = книга составена од молекуларни реченици (гени), во кои зборовите се нуклеотидните букви. **ГЕН = секвенца (дел) од нуклеотидни парови во молекулата на ДНК** - Во структурата на еден ген кодираната информација е во форма на **триплети (кодови**) за синтеза на сите видови протеини и РНК молекули Триплет -- три последователни азотни бази (нуклеотиди) Секој триплет кодира одредена аминокиселина во протеинскиот молекул **МОЖНИОТ БРОЈ НА АЗОТНИ БАЗИ Е 4 на n степен или 4 на 3та или 64** Гените се во контрола на клеточната функција **[Гените учествуваат во контрола на функцијата на клетката така што:]** **Секој ген** кој се состои од **нуклеинска киселина ДНК** го контролира создавањето на **друга нуклеинска киселина (РНК)** која потоа го контролира создавањето на специфични **протеини** (структурни протеини и ензими). Протеинскиот состав ги детерминира (одредува) својствата на една индивидуа. ген(днк) -синтеза на рнк- синтеза на протеин- ензими на клетката/структура на клетката- функција на клетката **[Гард (Garrod 1902]**) е првиот кој претпоставил дека постои специфична врска меѓу гените и ензимите, опишуваќји ја болеста алкаптонурија (недостаток на ензим оксидаза) како биохемиско наследно заболување. **Српеста анемија (Ingram, 1958)** Хемоглобин -- составен од две полипептидни низи (α и β). Нормалните и српестите хемоглобини имаат еднакви α, а различни β полипептидни низи. ЗОШТО???? Шестата аминокиселина во β низата кај нормалниот хемоглобин е аминокиселината **глутаминска киселина**, а кај српестиот хемоглобин таа во β низата е заменета со аминокиселината **валин.** **4. ГЕНЕТСКИ КОД / БИОСИНТЕЗА НА ПРОТЕИНИ** Репликација и транскрипција Протеините се оние кои гидаваат разликите меѓу фенотипот наеден и друг вид, но и разликите кои се јавуваат кај различни припадници на еден вид. Тие се макромолекули изградени од голем број на протеини. На пр. Инсулин, хемоглобин, лактаза итн. Во организмот особено има значење биосинтезата на протеините која овозможува клетката правилно да функционира, а со тоа го овозможува и животот. Во хијалплазмата на секоја клетка имаме протеини кои се различни, но тие секогаш се наредени според специфичен редослед. Тие мора да бидат по одреден редослед за да може да бидат функционални. Редоследот на протеините го одредува генетскиот код или шифрата на генетската информација во ДНК. ГЕН= сегмент на ДНК со определ број на нуклеотидни парови и специфичен редослед на азотните бази кои се линеарно распоредени по должината на хромозомите. Еден ген се состои од кодирана информација за синтеза на одреден протеин. Еден триплет е составен од три нуклеотиди и носи информација за 1 аминокиселина. Секој ген создава нова РНК која потоа создава нуклеинска киселина што ги синтезира специфичните протеини. Имаме структурни и регулаторни гени. ДНК има својства за репликација има специфичен редослед на азотните бази и може да мутира. ГЕНЕТСКАТА ИНФОРМАЦИЈА што ја носи ДНК се преведува во протеин со централната догма во молекуларната биологија. Таа е запишана во код, а кодот е составен од триплети такашто секој триплет е составен од три последователни азотни бази. Четирите основни азотни бази се групираат во групи по 3 затоашто секој триплет има 3 и создаваат 4\^3 или 64 кодови кои кодираат 20 аминокиселини. Генетскиот код овозможува систем за пренесување на геентска информација. На три начини: днк со днк преку репликација, днк со ирнк и трнк со транскрипција и ирнк и трнк со протеинот преку транслација. ДНК ДНК РЕПЛИКАЦИЈА ------------- ------------- --------------- ДНК иРНК и тРНК ТРАНСКРИПЦИЈА тРНК и иРНК ПРОТЕИН ТРАНСЛАЦИЈА Генетскиот код има функција да обезбеди последователност и поврзаност на процесите, репликацијата на генетскиот код, транскрипцијата на кодонот и транслација на антикодон. - - Промотор или почетен дел на транскрипција Теримнатор краен дел Различни протеини го контролираат однесувањето на РНК полимеразата. Имаме три фази во транскрипција на иРНК: 1. 2. 3. - Генетските кодови се пренесуваат или препишуваат како генетска информација во иРНК по принципот на комплементарност на азотните бази. Препишаните триплети во иРНК претставуваат упатство за синтеза на протеините. Составните делови на низата на иРНК се наречени кодони и се комплементарни на оние на ДНК. Секој еден кодон носи информација за вградување на аминокиселина во протеинскиот молекул кој се синтезира во клетката. За сите аминокиселини постојат 64 комбинации од азотни бази. - СИНОНИМСКИ КОДОНИ Овие кодони се одговорни за вградување на истата аминокиселина и само последната азотна база е различна кај нив. Пр. GU**U,**GU**C**, GU**A,**GU**G** сите ја кодираат аминокиселината валин. -------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- СТОП КОДОНИ (бесмислени) Тие всушност не кодираат ниту една аминокиселина само посотјат за да ја прекинат синтезата односно читањето на иРНК. Три од нив се: UAA,UAG,UGA СТАРТ КОДОНИ Со овој кодон започнува биосинтезата на протеините кај сите живи организми. Универзалниот старт кодон е AUG кој освен тоа што ја кодира првата аминокислелина исто така и е кодон за метионин. Тој е секогап првата аминокиселина за синтеза на било кој протеин. ***Важно!!! Кодирањето е универзално кај сите организми.*** **5. ТРАНСЛАЦИЈА** Транслација е процес на прецедување на генетската информација од иРНК во протеин. Овој процес се случува во рибозомите и редоследот на кодоните од иРНК се преведува во редослед на аминокиселините во протеинот. Во овој процес учествуваат сите три вида на РНК. Процесот *започнува* такашто иРНК излгеува од јадрото во цитоплазмата и се врзува со рибозомите. Додека се случува ова рибозомот го чита старт кодонот од иРНК и процесот отпочнува. Рибозомот се движи долж низата и ги чита азотните бази или кодоните по што ги вградува соодветните аминокиселини според редоследот се додека не дојде стоп кодонот и не го прекине процесот. Со ова се означува и крајот на биосинтезата на протеини. - Ова се овозможува со помош на транспортната рнк или тРНК. Таа не само што ги пренесува аминокиселините туку и помага тие да се сместат на точното место според кодоните, односно во полипептидната низа. Два важни региони се: Крај со АСС триплет- местото каде се поврзува аминокиселината Триплет антикодон комплиментарен на соодветниот кодон од иРНК. Тој е одговорен за препознавање и точно вградување на аминокиселинта во пртоеинскиот молекул. Точноста зависи од точното поврзување преку водородни врски на антикодонот со кодонот. **ЗА ТОЧНА СИНТЕЗА ТРЕБА ТОЧНО ДА СЕ ПОВРЗАТ КОДОНОТ И АНТИКОДОНОТ СО ВОДОРОДНА ВРСКА.** Имаме неколку фази во процесот на транслација: 1. Овој чекор е ковалентно врзување на аминокислеината со АСС триплетот на соодветната тРНК. Процесот е катализиран од ензимот аминоацил тРНК синтеза (лигаза). 2. Формирање на иницијален комплекс составен од иРНК, мала рибозомска субединица и метонин. Тој потоа се врзува со големата судединица во која посотјат две места: Р место (пептидиално) и А место (аминоацилно). Почетната аминокиселина е секогаш врзана за својата транспортна РНК. Тоа е метонинот и се наоѓа на Р местото со старт кодонот AUG, на А местото се наоѓа втроиот кодон каде потоа доаѓа втората аминокиселина врзана со својата тРНК молекула. Помеѓу двете аминокиселини се оформува пептидна врска со ензимот пептидал трансфераза. 3. Во овој процес пептидот или низата расте со додавање на нови аминокиселини меѓусебно поврзани со пептидна врска. Првиот кодон секогаш е со метонинот, тој се наоѓа на Р местото и откако рибозомот ќе го прочита си оди и на негово место доаѓа вториот со што А местото останува празно. На А местото се сместува нова аминокиселина. Кога ќе се прочита втората аминокиселина таа си оди се поврзува со пептидна врска со првата, на Р местото доаѓа новата трета аминокислеина, а на А местото нова четврта аминокислеина. Откако рибозомот ќе ги прочита кодоните и ќе ги поврзе со точните аминокиселини тие си одат и формираат пептидна врска едни со други со што се издолжува низата. 4. Всушност синтезата завршува кога на А местото наместо да дојде кодон доаѓа СТОП кодонот кој е оној што ја прекинува синтезата. Тој не кодира ниту една аминокиселина и процесот завршува. Полипептидот се одвојува од рибозомот се трансформира во протеин и се вклучува во функционирањето на клетката како слободна молекула. иРНК која се ослободува од полипептидот се разложува до нуклеотиди под дејство на ензим рибонуклеаза. Една аминокиселина се состои од еден ген или код еден кодон на иРНК и еден аниткодон на тРНК. Колку повеќе има протеин во клетката толку повеќе е спречен процесот на синтеза од страна на регулаторните гени. Тие се кратки днк секвенци кои синтезираат протеин познат како цитоплазматилен репресот што е посредник во механизмот за вклучување на процесот на транскрипција на иРНК во структурни гени. Кога клетката ќе се засити од еден протеин се активира овој цитоплазматичен репредор кој ја блокира натамошната трансктипција на иРНК а со тоа и синтезата на протеинот. При вградување на грешна аминокиселина доаѓа до мутација и со тоа се губи функцијата на протеинот.