Nukleiinhapped (0)

Nukleiinhapped
1. Nukleotiidid, nukleosiidid ja lämmastikalused
2. DNA ja RNA primaarstruktuur
3. DNA kõrgemat järku struktuur
4. RNA kõrgemat järku struktuur
5. DNA ja RNA hüdrolüüs
6. Nukleoproteiidsed kompleksid
Nukleiinhapped
Nukleiinhapped on molekulid,mille struktuuri kasutatakse geneetilise
informatsiooni säilitamiseks
DNA Informatsiooni "Master copy" rakkudes
RNA Otseselt DNA informatsiooni vahendavad molekulid (mRNA),
samuti selles protsessis abifunktsioone omavad rRNA, tRNA jt.
Keemiliselt on DNA ja RNA sarnased
heteropolümeerid
põhiahel koosneb suhrujääkidest ja fosfaatidest
suhkrujääkide küljes on Nglükosiidse sidemega lämmastikalused
Nukleiinhapetes olevad suhkrud
Riboos RNA Desoksüriboos DNA
koosseisus koosseisus
Lämmastikalused
Lämmastikalused on kas puriini või pürimidiini derivaadid Lämmastikalused on:
neutraalsed
planaarsed
Puriinid: kahe lämmatikku sisaldava tsükliga ühendid
adeniin ja guaniin nii RNA kui DNA struktuuris
Pürimidiinid: ühe tsükliga ühendid, tsütosiin nii RNA kui DNA;
tümiin DNA ja uratsiil RNA koosseisus
Lisaks kirjeldatutele on olemas
rida modifitseeritud või
mittestandartseid Naluseid:
N6metüüladeniin
5metüültsütosiin
N2metüülguaniin
5hüdroksümetüültsütosiin
Hüpoksantiin
Pseudouratsiil
7metüülguaniin
4tiouratsiil
Nukleosiidid suhkruga on N Nukleotiidid nukleosiidide
glükosiidse sideme kaudu monofosfaatestrid
ühendatud lämmastikalus
Nukleosiidide ja nukleotiidide nimetuste moodustamisel
lähtutakse lämmastikaluste nimedest
Adeniin (Nalus)
Adenosiin (Nukleosiid)
Adenosiin monofosfaat ­ (nukleotiid, adenosiini monofosfaatester)
desoksünukleosiid desoksüadenosiin
difosfaat, trifosfaat
adenosiin 5´difosfaat
esterifitseeritud OH on 5´ positsioonis kui ei ole spetsiifiliselt
näidatud
Lämmastikalus nukleosiid
Adeniin adenosiin
Guaniin guanosiin
Tsütosiin tsütidiin
Tümiin tümidiin
Uratsiil uridiin
Lämmastikalused neelavad valgust lähisUV piirkonnas
Nukleiinhapete kontsentratsiooni
on võimalik määrata
spektrofotomeetriliselt. Sobivaim
lainepikkus = 260 nm
BeerLamberti seadus: A = c l
A neeldumine lainepikkusel
c ­ aine molaarne kontsentratsioon (M)
­ molaarne ekstinktsioonikoefitsient lainepikkusel (M1 cm1)
l ­ optilise tee pikkus (cm)
Nukleotiidid koensüümide koostisosad
FAD
Nukleosiid trifosfaadid makroergilised ühendid
Fosfoesterside + H2O G0=14kJ/mol
Fosfoanhüdriidside+ H2O G0=31kJ/mol
ATP täidab eluslooduses
universaalse energia käibevahendi
rolli. Keskkonnast ammutatud
energia arvel sünteesitakse ATP.
ATPs talletatud energiat
kasutatakse termodünaamiliselt
mittesoodsate protsesside läbi
viimiseks.
Nukleiinhappe primaarstruktuur
Nukleotiidid on ühendatud lineaarseks polümeeriks nukleiinhappeks 3´5´
fosfodiestersidemetega
Mononukleotiidid Nukleiinhappe
Dinukleotiidid molekul sisaldab
Trinukleotiidid ühte negatiivset
Oligonukleotiidid laengut ühe
Polünukleotiidid monomeerijäägi
kohta
Kokkuleppeliselt kirjutakse RNA ja DNA
primaarstruktuuri suunas 5´ 3´.
5´ ATTAGGAACCGG 3´
Fosfodiestersideme
moodustumine ja stabiilsus
Põhimõtteliselt võiks
moodustuda
dehüdratatsioonireaktsioonis:
kuid G0=+25 kJ/mol
Looduses kasutatakse aktiveeritud
nukleotiide ­ nukleosiid trifosfaate
(NTP, dNTP).
RNA (ATP, GTP, CTP ja UTP)
DNA (dATP, dGTP, dCTP ja dTTP)
G0= +25 + (31) = 6 kJ/mol
Rakkudes toimub lisaks pürofosfaadi
hüdrolüüs: PPi + H2O = 2Pi (G0= 31 kJ/mol).
Summaarne G0=6 + (31) = 37 kJ/mol
DNA molekuli suurus varieerub erinevates organismides
Lihtsamates organismides on kogu genoomne DNA üks
lineaarne või tsirkulaarne molekul
Eukarüootsetel organismidel on mitu kromosoomi
DNA moodustab kogu raku massist ligikaudu 1%
Organism DNA (bp kokku) konformatsioon
Viirused
SV40 5,100 tsirkulaarne
Adenoviirus 36,000 lineaarne
faag 48,600 tsirkulaarne
Bakterid
E. coli 4,700,000 tsirkulaarne
Eukarüoodid
S. Cerevisiae 13,500,500 lineaarsed
D. Melanogaster 165,000,000 lineaarsed
Inimene 3,000,000,000 lineaarsed
RNA
RNA moodustab umbes 510% raku massist
Rakus esineb 3 põhilist RNA liiki
Ribosomaalne RNA assotsieerunud valkudega ribosoomide
koostises. Ribosoomidel toimub valgu biosüntees
mRNA valgu biosünteesiks vajaliku informatsiooni vahendaja:
DNA ja valgu vahel
tRNA moodustab aminohapetega estreid, mida kasutatakse
valgu biosünteesis
DNA sruktuuri elemendid
DNA kovalentse struktuuri aluseks on põhiahel ehk "selgroog", mis koosneb
vahelduvatest suhkrujääkidest ja fosfaatidest
Vahelduvad fosfaadidsuhkrujäägid moodustavad spiraalse heeliksi ümber omavahel
spetsiifiliselt paardunud lämmastikaluste
Kanoonilises DNA struktuuris paarduvad puriin ja pürimidiinalused vastavalt
adeniintümiin (AT) ja guaniintsütosiin (GC) ja see paardumine hoiab DNA ahelaid
koos kaksikheeliksina
AT paar2 vesiniksidet
GC paar 3 vesiniksidet
DNA kaksikheeliks: James Watson ja Francis Crick 1953
DNA kasikheeliksi kujuline
sekundaarstruktuur on üheks
murrangulisemaks avastuseks
bioloogias
Heeliksit stabiliseerivad:
Lämmastikaluste vahelised
spetsiifilised vesiniksidemed
Kohakuti asetsevate
lämmastikaluste vahelised van
der Waalsi interaktsioonid
Seletas ära empiirilise Chargaffi
reegli: enamiku organismide
DNA sisaldab võrdsel hulgas A
ja T ning G ja C nukleotiide
DNA kaksikheeliksi kujuline struktuur seletas ära geneetilise
informatsiooni kopeerimise mehhanismi
Watson ja Crick 1953 aastal ajakirjas Nature: "It has not escaped our notice that
the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible
copying mechanism for the genetic material".
ADNA BDNA Watsoni ja Cricki mudel vastas B
vormis oleva DNA struktuurile
Bvorm on füsioloogilistes
tingimustes (vesilahuses) dominantne
DNA konformatsioon
Avorm tekib Bvormi keemilisel
töötlemisel näiteks alkoholide ja
soolalahuste toimel. A vormina esineb
kaheahelaline RNA ja DNARNA
hübriid
Tuntud on ka vasakpoolse keermega
heeliks Z DNA
BDNA 10 aluspaari ühe täispöörde
kohta, ADNA 11; ZDNA 12
BDNA heeliks on seest praktiliselt
täidetud, 2 aluse vahe (tõus) 0.34nm
vastab lämmastikaluste heterotsüklite
van der Waalsi raadiuste summale
Nukleiinhapete sekundaarstruktuuri stabiilsus: DNA
denaturatsioon
G = H TS (heeliks struktuuritu ling) Heeliksit destabiliseerib:
Negatiivsete laengute
tõukumine (H Konformatsiooniline
entroopia (TS > 0)
Heeliksit stabiliseerib:
Vesiniksidemed ja van der
Waalsi interaktsioonid (H
> 0)
Kuna entroopiafaktor
on seotud
temperatuuriga, siis on
DNA denaturatsioon
kõrgematel
temperatuuridel
soodustatud
DNA denaturatsioon on pöörduv
Temperatuuri alandamisel
omandab denatureerunud
DNA oma esialgse natiivse
struktuuri
DNA denaturatsioon on
kooperatiivne protsess
Tm ehk DNA "sulamistemperatuur"
Temperatuur mille juures 50% DNA
molekulidest on denatureerunud
Mida kõrgem GC sisaldus,
seda kõrgem Tm
DNA tertsiaarstruktuur
DNA molekul võib olla lineaarne või
tsirkulaarne
Rõngasmolekulid võivad omakorda olla
relakseerunud või superspiraliseerunud
topoloogiaga
Superspiraalne vorm on väiksema
stabiilsusega, ent in vivo on tsirkulaarsed
DNA molekulid sageli superspiraalsed
Superspiralisatsioon võib olla oluline
replikatsiooni ja transkriptsiooni
regulatsioonil
DNA molekulide topoloogilisi üleminekuid
katalüüsivad topoisomeraasid
RNA struktuuri elemendid
RNA funktsionaalne ja struktuurne erinevus DNAga võrreldes baseerub kahel
olulisel detailil:
1. RNA struktuuri kuulub riboos ja mitte desoksüriboos
2. RNA struktuuri kuulub lämmastikalus uratsiil ja mitte tümiin
Lisa OH rühm suhkru koosseisus muudab RNA hüdrolüüsi suhtes tunduvalt
labiilsemaks
RNA molekul koosneb alati ühest kovalentselt seotud ahelast
RNA ei moodusta pikka lineaarset kaksikheeliksi struktuuri
RNA molekulid moodustavad sekundaarstruktuure voltudes iseendaga
Kirjeldatud on mitmesugused sekundaarstruktuuri elemendid
Juuksenõela (hairpin) struktuur
Parempoolne kaksikheeliks
Sisemised aasad ja paunad katkestavad sageli pideva kaksikheeliksi
tRNA struktuur
tRNA molekulid on 7493 nukleotiidi pikkused
tRNAd funktsioneerivad kui aktiveeritud aminohapete kandjad valgu
biosünteesis
Iga aminohappe kohta on vähemalt üks vastav tRNA
tRNA struktuuri kuulub palju modifitseeritud nukleotiide
Kõik tRNA molekulid moodustavad sarnase sekundaar ja tertsiaarstruktuuri
rRNA
rRNA sekundaar ja
tertsiaarstruktuur sisaldavad
analoogilisi elemente tRNA
molekulile. rRNA molekulid on aga
palju suuremad ja seega
kompleksema struktuuriga
Toodud 16S rRNA primaarstruktuur
on sageli aluseks evolutsiooni
uurimisel
Nukleaaside katalüüsitud RNA ja DNA ensümaatiline hüdrolüüs
Nukleiinhapete struktuuri iseloomustamisel ja funktsiooni analüüsil
on sageli vajalik suurte nukleiinhapete molekulide fragmenteerimine
Näiteks primaarstruktuuri analüüsil
rekombinantsete DNA molekulide genereerimisel
Ajalooliselt 3 meetodit
ensümaatiline hüdrolüüs
happeline hüdrolüüs (DNA, kaasneb depuriinimine)
aluseline hüdrolüüs (RNA)
Nukleaasid
Ensüümid, mis katalüüsivad fosfodiestersideme hüdrolüüsi
Funktsioone nukleiinhapete degradatsioon kahjustuste, võõra DNA
sissetungi korral jm
Mõned nukleaasid on DNA või RNA spetsiifilised, mõned
järjestusspetsiifilised, mõned mittespetsiifilised
DNaas desoksüribonukleaas, hüdrolüüsib DNA molekule
RNaas ribonukleaas, hüdrolüüsib RNA molekule
Nukleaasid
Vastavalt hüdrolüüsitava sideme asukohale jaotatakse
nukleaasid:
Eksonukleaasid katalüüsivad terminaalse nukleotiidi
eemaldamist
3´ eksonukleaasid
5´ eksonukleaasid
Endonukleaasid katalüüsivad ahelasisese fosfodiestersideme
hüdrolüüsi
produktiks 3´ fosfaadiga nukleotiid
produktiks 5´fosfaadiga nukleotiid
Nukleaasid
Ensüüm substraat klass spetsiifika
Pankrease RNA endo(I) 3´ Pyr
ribonukleaas A
Põrna DNA, RNA ekso(II) 5´ots, aluse
fosfodiesteraas spetsiif. puudub
Põrna DNA endo(II) ahelasisene ester
desoksüribonukleaas side, aluse spetsiif.
puudub
Maomürgi DNA, RNA ekso(I) 3´ ots, aluse
fosfodiesteraas spetsiif. puudub
Restriktsiooni endonukleaasid
Restriktaasid
Järjestusspetsiifilised DNA endonukleaasid
Produtseeritakse erinevate bakterite poolt selleks, et
degradeerida ehk restrikteerida võõr DNA molekule
Peremeesraku DNA on kaitstud tänu lämmastikaluste
spetsiifilisele metülatsioonile
Isoleeritud ja biokeemiliselt iseloomustatud on sadu restriktaase
Nomenklatuur tähis tuletatakse isoleerimiseks kasutatud liigi
nimest
EcoRI E. coli tüvest R isoleeritud esimene restriktaas
Restriktaasid
Enamus restriktaase on kaksikahelalise DNA spetsiifilised
Erinevate restriktaaside hüdrolüüsi tulemusena tekkivad molekulide otsad
võivad olla erinevate "etteulatuvate" ahelatega
Restriktaasid on endo(I) tüüpi nukleaasid
DNA fragmentide katalüütiline
HaeIII 5´...GGCC... 3´ fragmenteerimine leiab laialdaselt
3´...CCGG... 5´ rakendust
DNA analüüsil baseeruv
HinfI 5´...GANTC...3´ identifitseerimine
3´...CTNAG...5´
EcoRI 5´...GAATTC...3´
3´...CTTAAG...5´
KpnI 5´...GGTACC...3´
3´...CCATGG...5´
FokI 5´...GGATG(N)9...3´
3´...CCTAC(N) ...5´
Nukleoproteiidsed kompleksid supramolekulaarsed
valkude ja nukleiinhappe kompleksid
Viirused
Kromosoomid
Ribosoomid
Ribonukleoproteiidsed ensüümid
jt
Viirused
Stabiilsed infektsioossed partiklid, mille koosseisu kuulub nii
valk kui nukleiinhape. Valk moodustab kaitsekihi ümber
nukleiinhappe. Suuremad komplekssemad viirused sisaldavad
täiendava kesta, mis koosneb glükoproteiididest ja
membraanilipiididest
Kromosoomid
Eukarüootsed kromosoomid
koosnevad DNAst, mis on mähitud
histoonidest, koosnevate
partiklite ümber
Histoonid on väikesed aluselised
valgud
8 histooni moodustavad
nukleosoomiks nimetatava
südamiku, mille ümber DNA on
mähkunud
Moodustunud kompleksi
nimetatakse kromatiiniks