GENETIKA BAKTERIJA Genetika nauka koja prouava svojstva nasleivanja
GENETIKA BAKTERIJA • Genetika – nauka koja proučava svojstva nasleđivanja • Genetika mikroorganizama
• Osnovna jedinica nasleđivanja je GEN • Gen je segment dezoksiribonukleinske kiseline (DNK) • Genom – skup svih genetskih informacija organizma • Genotip – cjelokupna sekvenca DNK koja kodira fenotipske osobine
• Fenotip – skup svih strukturnih i funkcionalnih osobina ćelije ili organizma koje su određene genotipom i faktorima spoljne sredine • Fenotip bakterija – skup svih osobina bakterijske ćelije
DNK • Dva lanca polinukleotida • Nukleotid: purinska ili pirimidinska baza + šećer dezoksiriboza + fosfatna grupa • Purinske (ADENIN, GUANIN) i • pirimidinske baze (TIMIN, CITOZIN) • Dva lanca su povezana vodoničnim vezama koje se formiraju između komplementarnih baza (A-T, G-C) • Stabilna forma DNK je spiralno uvijena
• Polinukleotidni lanac se formira u prisustvu enzima DNK polimeraze koja vezuje nukleotide u 5'-3' smjeru
• Dužina DNK molekula izražava se u hiljadama parova baza = kilobaza parovi (Kbp) • Genom E. coli sastoji se od 4 639 221 parova baza i kodira najmanje 4 228 proteina 1 bazni par = 1 bp 1 kilobaza = 1 kb = 1000 bp 1 megabaza = 1 Mb = 1000000 bp
BAKTERIJSKI GENOM • Bakterije nemaju jedarnu membranu • Bakterije imaju samo jedan hromozom • Bakterijska ćelija je haploidna (ima jedan hromozom) • Bakterijski hromozom je cijelom dužinom dostupan za proces transkripcije • Pored hromozomske DNK mogu postojati i ekstrahromozomski segmenti DNK
BAKTERIJSKI GENOM • Hromozom • Plazmidi • Transponzoni udruženi sa bakteriofagom • Insercione sekvence • Transponzoni transpozibilni elementi
• Insercione sekvence-imaju ljepljive krajeve i nose informaciju za sintezu enzima transpozaze • Transpozoni –dostižu dužinu do 5000 bp ü Kompozitni (imaju insercione sekvencije i centralni region koji kodira rezistenciju na antibiotike) ü Familija Tn. A –centralni region tri gena: gen za rezistenciju, transpozaza i resolvaza, a na krajevima kratke ponavljajuće sekvence
HROMOZOM BAKTERIJA • Kontinuirani molekul dvolančane DNK u prstenastoj formi • 1 x 106 do 10 x 106 Kbp
DNK bakterija • Čuva identitet vrste • Učestvuje u sintezi novog lanca DNK (replikacija) • Učestvuje u sintezi novog lanca RNK (transkripcija)
REPLIKACIJA DNK • Razdvajanje lanaca u dvolančanoj DNK ("origin") • Formiranje replikacione viljuške • Svaki od odvojenih lanaca služi kao model za sintezu novog DNK
• Proces dupliranja molekule DNK, pri čemu od jednog lanca nastaju dva potpuno identična • Replikacija se odvija prije ćelijske diobe • Replikacija je semikonzervativan proces • Replikacija je bidirekcioni proces
DNA polimeraza je enzim koji katalizuje sintezu novog lanca DNA tako da dodaje jedan po jedan dezoksiribonukleotid. Reakcija se najjednostavnije može prikazati slijedećom jednačinom: - Pri replikaciji DNA dva se lanca dvostruke uvojnice odmotavaju i oba roditeljska lanca služe kao “kalup” za sintezu novih komplementarnih lanaca. Prema tome, svaka molekula – kćerka prima po jedan lanac od molekule – majke, što znači da je replikacija DNA semikonzervativna. Jedan lanac DNA sintetizira se kontinuirano, vodeći lanac, dok se drugi lanac, tromi lanac (lanac koji zaostaje), sintetizira u obliku fragmenata dugačkih oko hiljadu nukleotida (Okazakijevi fragmenti), koji se zatim kovalentno povezuju djelovanjem DNA-ligaze.
Kontinuirana sinteza Diskontinuirani lanac
TRANSKRIPCIJA RNK • Proces sinteze RNK prepisivanjem redosleda nukleotida sa odgovarajućeg segmenta DNK • RNK polimeraza
DNK sadrži genetičku informaciju za sintezu svih proteina u nekoj ćeliji, ali ne djeluje kao “kalup” u procesu sinteze proteina. Ulogu “kalupa” u procesu sinteze proteina ima informaciona, ili (m. RNK). Ekspresija genetičke informacije odvija se prema šemi: U prvom koraku se genetička informacija prenosi sa DNK na molekulu RNK, u procesu koji se naziva transkripcija (prepisivanje). Transkripcija je proces sinteze RNK molekula pri čemu je slijed nukleotida određen slijedom nukleotida u DNK. Transkribovani m. RNK molekul je kopija komplementarnog lanca, tzv. kodirajućeg lanca (sense) molekula DNK. Matrični lanac se naziva nekodirajući lanac (antisense). Transkripcija je biohemijski proces sinteze svih tipova RNK.
RNA-polimeraza je enzim koji katalizira sintezu RNK RNA-polimeraza kao supstrat koristi ribonukleozid-trifosfate (r. NTP): ATP, GTP, CTP i UTP, koje ugrađuje u rastući lanac nukleotida, uz oslobađanje pirofosfata.
Sinteza RNK je vrlo slična sintezi DNK: -smjer sinteze je 5’ 3’ Sinteza RNK se, međutim, i razlikuje od sinteze DNK: -RNK-polimeraza ne treba početnicu -RNK-polimeraza nema nukleaznu aktivnost za ispravljanje grešaka - DNK, koja služi kao “kalup” pri sintezi RNK, ostaje potpuno sačuvana, tj. transkripcija je konzervativna s obzirom na DNK. - Kod bakterija jedna RNK-polimeraza katalizira sintezu sve tri vrste ćelijskih RNK (m. RNK, t. RNK, r. RNK), dok kod eukariota imamo tri vrste RNK-polimeraza (RNK-polimeraza I, II i III). RNK-polimeraza II katalizira sintezu m. RNA.
Promotor Mjesto na koje se veže RNK-polimeraza Međusobno se razlikuju, međutim analize velikog broja promotora daju strukturu promotora (konsenzus sekvencija). “tipičnog” Terminacija Prekid sinteze RNA, disocija RNA-polimeraze i primarnog transkripta RNA, Sekvencija u kojoj dolazi do terminacije naziva se terminator. Molekularna Genetika 2007/2008 ver. 0. 9 Predavanje br. 3
Figure 1 -4 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
RNK – Uracil!!! Umjesto Timina!!!
Proces transkripcije, kao i regulacija transkripcije, se znatno razlikuju kod prokariota i eukariota. Kod bakterija transkripcija i translacija ( sinteza proteina) se odvijaju u citosolu te se translacija odvija kotranskripcijski, tj. translacija započinje prije nego je potpuno završena sinteza m. RNA (transkripcija). Ova dva procesa su kod eukariota prostorno i vremenski odvojeni. Proces transkripcije se odvija u jedru, pri čemu ne nastaje odmah zrela m. RNA, već tzv. primarni transkript (pre-m. RNA) koji podliježe značajnoj obradi (“procesiranje”) te nastaje m. RNA se zatim transportuje u citosol gdje se odvija translacija.
TRANSLACIJA • Translacija (biosinteza proteina) jeste kompleksan proces u kome se genetička informacija “prevodi” sa “jezika” nukleinskih kiselina na “jezik” proteina
RIBOSOM – sinteza proteina Ćelija E. coli – oko 20. 000 ribosoma Eukariotska ćelija – više od 106 ribosoma Prokarioti (70 S) Velika podjedinica Mala podjedinica 50 S - 23 S r. RNA - 5 S r. RNA Eukarioti (80 S) - 34 proteina 60 S - 28 S r. RNA - 5, 8 S r. RNA - 5 S r. RNA ~ 45 proteina 30 S -16 S r. RNA - 21 protein 40 S - 18 S r. RNA ~ 30 proteina Molekularna Genetika 2007/2008 ver. 0. 9 aktivni centar (adenin!) Predavanje br. 2
Genetički kod • Univerzalnost genetičkog koda podrazumeva isto značenje kodona u svim biološkim vrstama Zapažena su izvjesna odstupanja
Sinteza proteina (translacija) se događa na ribosomima. Ribosomi su ribonukleoproteini (oko dvije trećine čini r. RNA, a jednu trećinu proteini) građeni od dvije podjedinice: kod prokariota od 30 S i 50 S (70 S), a kod eukariota od 40 S i 60 S (80 S). Translacija m. RNA se odvija u smjeru 5’ → 3’, a sinteza proteina teče od “amino kraja” prema “karboksilnom kraju”. Start signal kod prokariotske m. RNA je AUG ili GUG kodon
Ribosomi sadrže tri mjesta na koja se može vezati t. RNA: A, aminoacilno mjesto; P, peptidilno mjesto i E, izlazno mjesto. - t. RNA se preko svog antikodona veže na komplementarni kodon m. RNA.
TRI FAZE: INICIJA ELONGACIJA TERMINACIJA
Antibiotici koji djeluju na 30 S subjedinicu ribozoma bakterija - amikacin - neomicin - nitrofuran - gentamicin - streptomicin - tetraciklini - kanamicin - tobramicin - spektinomicin
Antibiotici koji djeluju na 50 S subjedinicu ribozoma bakterija - hloramfenikol - fuzidinska kiselina - klaritromicin - linkomicin - klindamicin - puromicin - eritromicin
ANTIBIOTICI KOJI DJELUJU SAMO NA PROKARIOTE Djeluju na translaciju Tetraciklin blokira vezivanje aminoacil-t. RNK za A mesto S t r e p t o m i c i n blokira prelazak sa inicijacije na elongaciju H l o r a m f e n i k o l blokira peptidil-transferaznu aktivnost E r i t r o m i c i n blokira translociranje duž ribozoma Djeluju na transkripciju Rifamicin blokira inicijaciju kompetitivnim vezivanjem za RNK polimerazu
ANTIBIOTICI KOJI DJELUJU I NA PROKARIOTE I NA EUKARIOTE Djeluju na translaciju Piromic in dovodi do prerane terminacije translacije Djeluju na transkripciju Aktinomicin D blokira kretanje RNK polimeraze
ANTIBIOTICI KOJI DJELUJU SAMO NA EUKARIOTE Djeluju na translaciju C i k l o h e k s i m i d blokira translociranje duž ribozoma A n i z o m i c i n blokira peptidil-transferaznu aktivnost Djeluju na transkripciju a-amanitin blokira RNK polimerazu II
Plazmidi
• Samostalno se replikuju • Sastoje se od dvolančane DNK • Veličina plazmida 1 – 400 Kb • Konjugativni (F) plazmidi • R plazmidi • Plazmidi nosioci informacija koje utiču na virulentnost • Plazmidi nosioci metaboličkih gena • Kompatibilni i inkopatibilni plazmidi
Replikacija plazmidske DNK • Nije sinhronizovana sa replikacijom hromozomske DNK i deobom ćelije
- Slides: 46