Nukleinske kisline
Štirje različni nukleotidi se v nukleinskih kislinah povezujejo v neskončno število kombinacij...
Nukleinske kisline so najbolj zapleten biološki polimer. Njihova zapletenost je posledica primarne zgradbe, ki vsebuje štiri različne monomere – nukleotide. Razlikujemo nukleinske kisline DNA in RNA. Molekule nukleinskih kislin se razlikujejo po velikosti. Sestavlja jih od 30 do več milijonov nukleotidov. Majhne nukleinske kisline so predvsem različne RNA.
Spodnji sestavek vsebin predaja znanje za zadostitev izpitnim ciljem, naštetim v naslovnem seznamu.
DNA – njena zgradba in podvojevanje
In še bolj razburljivo dejstvo: taka dvojna vijačnica je kazala na podvajanje, ki se je veliko bolj skladalo kot moje združevanje enakega z enakim.
Naše današnje razumevanje genetike in sinteze beljakovin temelji predvsem na poznavanju zgradbe molekule DNA. DNA je okrajšava za deoksiribonukleinsko kislino. Verjetno je to ena najslavnejših okrajšav v kemiji in biologiji, saj celotnega imena danes ne uporablja tako rekoč nihče. Številne vzporedne raziskave zgradbe DNA so se v petdesetih letih 20. stoletja začele zlagati kot sestavljanka. Posamezni koščki sestavljanke so bili že odkriti, a prva sta jih pravilno sestavila James Watson in Francis Crick na univerzi v Cambridgeu v Veliki Britaniji. Tako veljata za odkritelja zgradbe DNA, verjetno najpomembnejšega odkritja v biologiji 20. stoletja.
Temeljno odkritje: dvojna vijačnica DNA
Ko govorimo o zgradbi DNA, pogosto uporabljamo izraz model. Ta v tem primeru sploh ni abstrakten, saj sta Watson in Crick dejansko zgradila molekulo DNA iz kovinskih koščkov, ki so predstavljali njene posamezne kemijske komponente. Model DNA je vključeval različne znane lastnosti makromolekul. Ena takšnih lastnosti je tudi oblikovanje vodikovih vezi.
Watson in Crick sta pokazala, da vodikove vezi lahko nastajajo le med določenimi pari dušikovih baz, in sicer dve vodikovi vezi med adeninom in timinom ter tri vodikove vezi med citozinom in gvaninom. Pokazala sta tudi, da je molekula v resnici sestavljena iz dveh verig in da so posamezne baze baznih parov v nasprotnih verigah. Še več, z upoštevanjem vseh ustreznih elektronskih interakcij in kotov med kemijskimi vezmi za vsako skupino nukleotidov (dušikova baza + sladkor deoksiriboza + fosfatna skupina; glej poglavje: Gradniki življenja – atomi, molekule, makromolekule) sta lahko izračunala, kako se molekula DNA zvija v dvojno vijačnico. Ko je bil model zložen skupaj, se je takoj pokazalo, da sta verigi DNA vzporedni, a usmerjeni v nasprotni smeri – pravimo, da sta antiparalelni.
Watson in Crick z modelom DNA.
Za odkritje zgradbe DNA sta skupaj
z Mauriceom Wilkinsom leta 1962
prejela Nobelovo nagrado za medicino.
Model Watsona in Cricka je razložil, kako DNA sploh lahko obstaja v obliki številnih različnih zaporedij nukleotidov in da so geni zares lahko različno dolga zaporedja nukleotidov. Model je tudi pojasnil, zakaj je v vseh organizmih enako razmerje molekul citozina in gvanina ter adenina in timina. In končno, ugotovitev, da nasprotni verigi nista identični, temveč komplementarni (to pomeni, da se med sabo ne povezujejo enake, temveč dopolnjujoče se ali komplementarne baze), je že nakazala tudi potencialni mehanizem za samopodvajanje molekule DNA.
Watson in Crick sta vizionarsko predvidela, da se dvojna veriga odpre kot zadrga med baznimi pari, tako da se porušijo vodikove vezi med njimi. Vsaka posamezna veriga nato deluje kot predloga (matrica) za nastanek nove verige, ki raste ob stari z dodajanjem prostih nukleotidov s komplementarnimi bazami. Po tej domnevi je dvojna vijačnica sestavljena iz ene starševske verige in ene nove. Taki sintezi DNA rečemo semikonzervativno (polohranjeno) samopodvojevanje vijačnice, ker s tem nastaneta dve natančni kopiji starševske molekule.
Zdaj znam:
- utemeljiti pomen parjenja komplementarnih baz za zgradbo in delovanje DNA in RNA
Spoznaj:
Sinteza beljakovin
S proučevanjem sprememb, nastalih z mutacijami, so že poskušali določiti relativni red baz v različnih tripletih, a moje osebno mnenje je, da je za to še prezgodaj in moramo pridobiti več bolj zanesljivih podatkov o sestavi tripletov.
Pred dokončnim razvozlanjem dvojne vijačne zgradbe DNA je bilo zbranih že kar nekaj dokazov, da je DNA tista spojina, ki nosi informacije za sintezo posameznih beljakovin. Čeprav dolgo niso vedeli, kaj naj bi take informacije bile v kemijskem smislu, so jih imenovali geni.
Francis Crick, soodkritelj zgradbe molekule DNA, je v svojem predavanju ob podelitvi Nobelove nagrade za medicino, ki jo je leta 1962 prejel skupaj z Jamesom D. Watsonom in Mauriceom Wilkinsom, med drugim povedal spodnje:
Spoznaj:
Ključna spoznanja:
Genske informacije nosi zelo dolga molekula DNA. Predstavljene so z zaporedjem nukleotidov adenozina, gvanina, citozina in timina.
Molekula DNA je v obliki dvojne vijačnice, sestavljena iz dveh komplementarnih verig nukleotidov, povezanih skupaj z vodikovimi vezmi med pari gvanina in citozina ter adenina in timina. Verigi DNA sta vzporedni, a obrnjeni v nasprotni smeri (antiparalelni). Vsaka od verig lahko deluje kot predloga za sintezo druge verige.
Sintezi DNA rečemo polohranjeno samopodvajanje, ker nastala dvojna vijačnica vsebuje eno staro in eno na novo sintetizirano verigo. Zaporedje nukleotidov na novi verigi je komplementarno tistemu na verigi DNA, ki je rabila kot predloga.
Ker polimeraza DNA lahko sintetizira novo DNA le v eni smeri, se le ena veriga v replikacijskih vilicah – vodilna veriga – lahko sintetizira neprekinjeno. Zaostajajočo verigo sintetizira polimeraza DNA v prekinjenem procesu. V njem nastajajo kratki kosi DNA, ki jih pozneje med sabo v neprekinjeno verigo poveže poseben encim.
Na genih v jedru poteka transkripcija DNA v RNA.
Del DNA, ki kodira posamezno aminokislino, je kodogen, sestavljen iz treh nukleotidov.
Molekula RNA se v procesu translacije v citoplazmi prevede v molekulo beljakovine. V translaciji sodelujejo tudi druge oblike molekul RNA, prenašalna ali tRNA in ribosomska ali rRNA. tRNA prinese pravo aminokislino, rRNA pa je sestavni del ribosoma, kjer povezava aminokislin v beljakovino dejansko poteče.
Gledališče:
Preverim svoje znanje
Odgovorite na vprašanja
- Kaj od naštetega ni del nukleotida?
a) dušikova baza
b) sladkor
c) maščoba
d) fosfat
- Nukleotidno zaporedje ene verige DNA v dvojni vijačnici je GGATTTTTGTCCACAATCA. Kakšno je zaporedje v komplementarni verigi?
- Zakaj pravimo, da je podvojevanje DNA semikonzervativno ali polohranjeno?
- Kako pogosto se DNA samopodvoji?
- Kaj je transkripcija in kaj translacija?
- Imenujte tri različne tipe molekul RNA.
- Kaj je genetski kod?
- Koliko nukleotidov je nujnih za peptid, ki ga sestavlja 100 aminokislin?
- Kaj prenaša tRNA?
- Kaj od naštetega ne sodeluje neposredno pri translaciji?
a) ribosomi
b) tRNA
c) mRNA
d) DNA
e) encimi
- Pravilen je odgovor c – maščoba.
- Komplementarna veriga ima zaporedje CCTAAAAACAGGTGTTAGT.
- Podvajanje DNA je polohranjeno, ker vsaka nova molekula vsebuje eno verigo iz stare molekule in eno verigo, sestavljeno iz nukleotidov, ki jih celica sestavi na novo.
- DNA se samopodvoji v interfazi vsakega obrata celičnega cikla.
- Transkripcija je prenos genetske informacije iz DNA v RNA, tako da se RNA sintetizira ob kodirajoči verigi molekule DNA. Translacija je uporaba informacije na molekuli RNA za sintezo beljakovine.
- Tipi molekul RNA so sporočilna RNA (mRNA), ki rabi kot predloga (matrica) za sintezo beljakovin, ribosomska RNA (rRNA), ki skupaj z beljakovinami sestavlja ribosome, ter prenašalna RNA (tRNA), le-ta prenaša aminokisline do mRNA, ki je povezana z ribosomi in pomaga pri dodajanju aminokislin k nastajajoči beljakovini.
- Genetski kod je zbir kodonov iz treh zaporednih nukleotidov, ki določajo zaporedje specifi čnih aminokislin v beljakovini.
- 300.
- tRNA prenese aminokislino do ribosoma.
- Pravilen odgovor je d – DNA.
Premislite
- Zamislite si mutacijo, ki prizadene encim, nujen za popravljanje poškodb DNA med njeno sintezo. Ta mutacija povzroči kopičenje približno 5000 mutacij v DNA na dan v vsaki izmed vaših celic. Če se človek in šimpanz razlikujeta v sestavi DNA za 1 %, koliko časa bi trajalo, da bi se človek spremenil v šimpanza? Kaj je narobe s predstavljenim argumentom?
- V molekuli DNA določenih bakterijskih celic 13 % dušikovih baz v nukleotidih obsega adenin. Kolikšen je odstotek preostalih baz?
- Koliko aminokislin kodira sledeče zaporedje DNA: T C A G C C A C C T A T G G A?
- Zakaj evkariontska celica potrebuje jedro kot poseben organel, prokariontska pa povsem dobro deluje brez njega?
- Argument je izjemno pomanjkljiv v vseh točkah. Ena vrsta se ne more spremeniti v drugo le z uvedbo 1 % naključnih sprememb v DNA. Popolnoma nemogoče je, da bi se vsak dan v vsaki celici nakopičilo 5000 mutacij brez delovanja popravnih mehanizmov, in to na natančno tistih mestih, kjer se zaporedja nukleotidov v DNA šimpanza in človeka razlikujejo. Pri tako veliki hitrosti mutacij je tudi zelo verjetno, da bi se veliko nujnih genov deaktiviralo, kar bi vodilo do celične smrti. Ker je naše telo sestavljeno iz 1013 celic, bi se morala spremeniti večina teh celic, da bi se spremenili v šimpanza. In celo če bi se to zgodilo, bi se take spremembe morale odvijati med razvojem, da bi imele učinek na naš telesni načrt (npr. da bi imeli rep).
- DNA je sestavljena iz štirih nukleotidov, ki vsebujejo štiri različne dušikove baze (100 % = 13 % adenina + x % timina + y % gvanina + z % citozina). Ker se adenin pari s timinom, sta v DNA oba nukleotida v enakem razmerju. Tako ima izbrana bakterijska DNA 13 % timina. Ostane torej 74 % za gvanin in citozin, ki se prav tako parita v enakem razmerju. Tako je: y = z = 74/2 = 37 %.
- 1 Zaporedje se mora najprej prepisati v kod RNA: AGU CGG UGG AUA CCU. To zaporedje kodira 5 aminokislin: serin-arginin-triptofan-izolevcin-prolin.
- Jedrna ovojnica ločuje procesa transkripcije in translacije tako časovno kot tudi prostorsko. RNA, ki se prepiše iz DNA v evkariontskem jedru, se mora pred vstopom v citoplazmo po večini še dodatno preoblikovati v mRNA. To se zgodi z izrezom intronov in povezavo eksonov v neprekinjeno verigo. Šele »zrela« mRNA lahko zapusti jedro, tako da se lahko začne translacija in z njo sinteza beljakovin.