Nukleinske kiseline
Nukelinske kiseline je prvi put izolovao švajcarski fiziolog Fridrih Mišer (Friedrich Miescher) 1869.god. iz jedra ćelija smene tečnosti lososa. Naziv su dobile prema jedru (nucleus) u kome su najviše zastupljene, mada ih ima i u citoplazmi. Njihova uloga u prenošenju naslednih informacija otkrivena je mnogo kasnije, 1928. godine kada je Frederik Grift otkrio fenomen transformacije, a definitivno dokazana na procesu transdukcije.
U prirodi postoje dve vrste nukleinskih kiselina:
- dezoksiribonukleinska kiselina (DNK) i
- ribonukleinskakiselina(RNK).
Obe su zastupljene u svim vrstama organizama i veoma su značajne za održavanje života i evoluciju živog sveta.
Sadržaj
DNK
DNK (dezoksiribonukleinska kiselina) je genetički materijal živih organizama. Kod čoveka, DNK se nalazi u skoro svim ćelijama i daje im uputstva neophodna za rast, funkcije i reagovanje na promene u spoljašnjoj sredini. DNK se prenosi sa jedne generacije ćelija na sledeću (deobom majke ćelije na kćerke ćelije). Pre deobe DNK se duplira (replikacija) da bi se ravnomerno raspodelila kćerkama ćelijama. DNK se prenosi i na nivou čitavog organizma. Za stvaranje novog organizma, koji ima genetički materijal oba roditelja, neophodno je da se DNK spermatozoida i jajne ćelije iskombinuju.
DNK je dugi niz sparenih hemijskih jedinica, nukleotida, kojih ima četiri vrste (skraćeno se obeležavaju A, T, G, C). Redosled nukleotida je primarna struktura gena. Geni daju uputstvo za sintezu proteina koji ćelijama i organizmima omogućavaju funkcionisanje (to nije jedina funkcija gena).
Genom
Kod eukariotskih ćelija (biljke, životinje, alge, gljive, lišaji), najveći deo DNK se nalazi u jedru (nukleusu) i naziva se nukleusna DNK. Mitohondrije, organele u kojima se stvara energija (ATP), imaju sopstvenu mitohondrijsku DNK. Slično je i kod hloroplasta, organela biljne ćelije u kojima se vrši fotosinteza, koji imaju hloroplastnu DNK. Količina DNK u mitohondrijama i hloroplastima je mnogo manja od količine DNK u jedru. Kod prokariota (bakterija), najveći deo DNK senalazi u centralnim delu ćelije koji se zove nukleoid. Nukleoid funkcioniše slično kao nukleus, ali za razliku od njega nema membranu.
Ukupna količina DNK u ćeliji naziva se genom. Pošto skoro sve ćelije u organizmu (sa nekoliko izuzetaka) sadrže istu DNK, možemo govoriti i o genomu organizma. Takođe, može se opisati i genom vrsta pošto predstavnici jedne biološke vrste imaju slične genome.
Primarna struktura DNK
Osnovna gradivna jedinica DNK je nukleotid. Najzaslužniji za otkriće strukture nukleotida bio je škotski hemičar Sir Alekzendr Tad (Alexander Robertus Todd, 1907-1997), dobitnik Nobelove nagrade za hemiju 1957. god.
Nukleotid se sastoji od tri komponente :
1. jednog molekula azotne baze,
2. jednog molekula šećera pentoze (monosaharid sa 5 ugljenikovih atoma) i
3. jedne fosfatne grupe.
Azotne baze mogu biti:
- purinske (purini) i
- pirimidinske (pirimidini).
Purinske baze DNK su:
- adenin(A) i
- guanin(G).
Pirimidinske su:
- citozin(C) i
- timin(T).
Pentoza koja ulazi u sastav DNK je dezoksiriboza.
Hemijske veze
Jedinjenje koje nastaje od azotne baze i šećera pentoze naziva se nukleozid. Azotna baza i pentoza su u nukleozidu vezane N-glikozidnom vezom (veza između N9 atoma purina (odn. N1 pirimidina) i C1’ atoma pentoze
). Kada se za nukleozid veže fosfatna grupa onda nastaje nukleotid. Nukleotidi su međusobno povezani gradeći polinukleotidni lanac. Veze između nukleotida u tom lancu su fosfodiestarske i ostvaruju se tako što se treći C-atom (C3’) pentoze jednog nukleotida veže za peti C-atom (C5’) pentoze narednog nukleotida u lancu.Takvim povezivanjem na jednom kraju lanca ostaje slobodna hidroksilna grupa vezana za C3’ (taj kraj se naziva 3’ kraj), a na drugom fosfatna grupa vezana za C5’ atom (to je 5’ kraj).Početak polipeptidnog lanca je 5' kraj.
Vrsta i redosled nukleotida DNK predstavlja njenu primarnu strukturu i specifičan je za svaku vrstu.
Varijabilnost
Varijabilnost (promenljivost, različitost) primarne strukture DNK je ogromna. Broj različitih redosleda nukleotida je 4 n, gde je n broj nukleotida koji čine lanac DNK. Ako se npr. lanac DNK sastoji od samo 100 nukleotida, bilo bi moguće predvideti postojanje 10 na 56 molekula sa različitim redosledom nukleotida. Prirodni molekuli DNK sastoje se od velikog broja nukleotida(najmanji molekul DNK imaju virusi i on se sastoji od oko 5000 nukleotida ) čime se obezbeđuje ogromna raznovrsnost bioloških vrsta. Linearno raspoređeni delovi DNK su geni. Struktura gena je tačno određeni redosled nukleotida u delu DNK.
Sekundarna struktura
Sekundarnu strukturu DNK uspeli su da odgonetnu Votson i Krik 1953.god. Osnovu te strukture čini dvolančana zavojnica(spirala).Dva polinukleotidna lanca, koja čine ovu zavojnicu, su antiparalelna što znači da se naspram 5’ kraja jednog lanca nalazi 3’ kraj drugog, i obrnuto. Lanci su uvijeni jedan oko drugog tako da se duž dvolančane zavojnice prostiru dva žljeba: veliki i mali. DNK zavojnica ima celom dužinom isti prečnik. Purinske i pirimidinske baze se nalaze u unutrašnjosti zavojnice gusto spakovane jedna nad drugom, a ravni baza su normalne na osu zavojnice. Fosfatne grupe su okrenute prema spoljašnjoj strani i zajedno sa pentozama čine skelet zavojnice.(Prečnik zavojnice iznosi 2 nm; jedan pun zavoj čini 10 parova nukleotida čija je ukupna dužina 3,4 nm.)
Tercijerna struktura
Na osnovu molekulske mase DNK i podatka da jedan puni zavoj ima dužinu od 3,4 nm, lako se može izračunati ukupna dužina ispružene dvolančane zavojnice DNK u nekoj ćeliji. Tako, ukupna dužina dvolančene DNK u jednoj jedinoj ćeliji čoveka iznosi oko 2 m. Dužina potpuno ispružene DNK najvećeg ljudskog hromozoma (hromozom 1) iznosi 85 mm.Treba imati u vidu da je prečnik tipične ćelije oko 20 mikrometara, a njenog jedra 5-10 mikrometara. Tercijerna struktura predstavlja pakovanje DNK pomoću histonskih proteina.
Komplementarnost i Čargafova pravila
Iz činjenice da je prečnik zavojnice isti celom dužinom, zaključeno je da se naspram purinske baze u jednom lancu nalazi pirimidinska baza u drugom, i to komplementarne –naspram adenina timin, a naspram guanina citozin i obrnuto. Naspramne baze se povezuju vodoničnim vezama : A i T su međusobno povezani sa dve, a G i C sa tri H-veze (A=T; GºC). Princip komplementarnosti, na kome se zasniva sekundarna struktura DNK, omogućava da redosled baza u jednom lancu automatski određuje redosled u drugom. Zato su odnosi A/T= 1 i G/C=1 tj. da je broj molekula A jednak broju molakula T, što važi i za G i C ; isto tako je i broj purinskih nukleotida jednak broju pirimidinskih nukleotida tj. A+G/T+C= 1; sve navedene pravilnosti nazivaju se Čargafova pravila (Erwin Chargaff).
Denaturacija i hibridizacija
Sekundarna struktura DNK je podložna denaturaciji. Pod denaturacijom se podrazumeva narušavanje sekundarne strukture tako da se dvolančani DNK molekul razdvaja na dva polinukleotidna lanca. Pod odgovarajućim uslovima može doći do renaturacije, tj. do ponovnog spajanja komplementarnih lanaca DNK. Procesi denaturacije i renaturacije odigravaju se i u ćeliji pod kontrolisanim uslovima i u ograničenom obimu. Ti procesi predstavljaju neophodan preduslov za normalno funkcionisanje DNK (za procese replikacije, transkripcije).
Kada se u rastvoru nađu dva polinukleotidna lanca koji imaju komplementarne redoslede nukleotida, nagradiće se hibridni dvolančani molekul. Denaturisana DNK može da hibridizuje sa denaturisanom DNK iste ili različite vrste, ili sa RNK. Hibridizacija je našla veoma široku primenu u istraživanjima u molekularnoj biologiji i predstavlja jednu od osnovnih tehnika genetičkog inženjerstva.
RNK
Primarna i sekundarna struktura
Osnovna gradivna jedinica RNK je, kao i kod DNK, nukleotid. Nukleotidi DNK i RNK razlikuju se po pirimidinskim bazama i pentozi : umesto timina RNK ima uracil, a šećer je riboza.
RNK su jednolančani molekuli koji nastaju tako što se nukleotidi povezuju fosfodiestarskim vezama. Priroda ovih veza je ista kao u DNK, samo što umesto dezoksiriboze učestvuje riboza. Unutar ovih jednolančanih molekula komplementarne baze mogu da nagrade kraće ili duže dvolančane, spiralizovane delove spajajući se vodoničnim vezama (A=U ; GºC). Ti dvolančani delovi čine sekundarnu strukturu RNK.
Vrste RNK
U ćeliji postoje tri vrste RNK :
- informaciona RNK (i-RNK),
- transportna RNK (t-RNK) i
- ribozomska RNK (r-RNK).
Sve tri vrste nastaju prepisivanjem određenih delova jednog lanca DNK, odnosno prepisivanjem gena. Tako da RNK predstavljaju kopije pojedinih gena.
Informaciona RNK nastaje prepisivanjem strukturnih gena koji sadrže uputstvo za sintezu proteina. Uloga i-RNK je da to uputstvo (informaciju) za sintezu proteina prenese do ribozoma (mesto sinteze proteina). Sinteza i-RNK počinje onda kada je ćeliji potreban neki protein, a kada se obezbedi dovoljna količina proteina i-RNK biva razgrađena.
Transportna RNK nastaje prepisivanjem male grupe specifičnih gena. Transportna RNK ima dvostruku ulogu: prevodi uputstvo za sintezu proteina sa i-RNK u redosled aminokiselina u proteinu i prenosi aminokiseline do ribozoma.
Ribozomalna RNK nastaje prepisivanjem gena koji se zajednički nazivaju »organizatori jedarceta«.Njena uloga je da zajedno sa određenim proteinima nagradi ribozome.
Ćelije jednog organizma se međusobno razlikuju po i-RNK i t-RNK koje sadrže dok su r-RNK i DNK u svim ćelijama jednog organizma iste.
- Uracil u DNK: greška ili signal?
- https://learn.genetics.utah.edu/content/basics/builddna/
- http://www.dnaftb.org/19/
- http://www.dnaftb.org/15/
- https://askabiologist.asu.edu/activities/banana-dna
- https://www.yourgenome.org/activities/sequence-bracelets
- https://www.amnh.org/explore/ology/genetics/make-a-dna-model2
- https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/dna
- Dumanović, J, marinković, D, Denić, M: Genetički rečnik, Beograd, 1985.
- Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike, Beograd, 1986.
- Lazarević, M: Ogledi iz medicinske genetike, Beograd, 1986.
- Marinković, D, Tucić, N, Kekić, V: Genetika, Naučna knjiga, Beograd
- Matić, Gordana: Osnovi molekularne biologije, Zavet, Beograd, 1997.
- Prentis S: Biotehnologija, Školska knjiga, Zagreb, 1991.
- Ridli, M: Genom - autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato, Beograd, 2001.
- Tatić, S, Kostić, G, Tatić, B: Humani genom, ZUNS, Beograd, 2002.
- Tucić, N, Matić, Gordana: O genima i ljudima, Centar za primenjenu psihologiju, Beograd, 2002.
- Švob, T. i sradnici: Osnovi opće i humane genetike, Školska knjiga, Zagreb, 1990.
- Šerban, Nada: ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001
