1. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra
Studiju kurss Bioloģija (nebiologiem)
Bloks Šūnas bioloģija, bioķīmija, ģenētika
20. lekcija.
Molekulārā ģenētika.
Māris Lazdiņš
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

2. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
Replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)

3. 5’
Vien-
pavediena
DNS -
tetra-
nukleotīds C C C A 3’

4. Heterociklisko bāzu komplementaritāte
Adenīns (A)
Timīns (T)

5. Heterociklisko bāzu komplementaritāte
Guanīns (G)
Citidīns (C)

6. Heterociklisko bāzu komplementaritāte

7. DNS sintēze 5’ 3’ 5’ Katalizē DNS atkarīgā DNS polimerāzeOH 3’ 5’
Katalizē DNS atkarīgā DNS polimerāze
Nepieciešami dNTP (dezoksinukleozīdtrifosfāti) :
(dATP, dCTP, dGTP, dTTP) OH 3’

8. 5’
DNS sintēze O OH 3’
Enzīms - DNS polimerāze katalizē fosfodiestera saites veidošanos.
Jaunsintezētais DNS pavediens in vivo vienmēr pagarinās
5` -> 3` virzienā.

9. DNS sintēze A A A T G T C C A G C T A G C G T C G CAGGCTTCATAGCTCCT C
Dezoksinukleozīdu
trifosfāti
Fosfodiestersaites
Matrices DNS A A A T G T C C A G C T A G C G T C G
CAGGCTTCATAGCTCCT C G
||| || ||| ||| ||| || || ||| || || || ||| ||| || ||| ||| || | | |||
GTCCGAAGTATCGAGGAAGCTCCGTA T G T C C A

10. DNS sintēze RNS praimeris (ierosa) 5` -C-OH 3`
3`-ACGTACGTACGTACGTACGTACGT-5` matrice
RNS praimeris (ierosa)
5`-UGCAUGCA-OH 3`
3`-ACGTACGTACGTACGTACGTACGT-5` matrice

11. DNS replikācija (DNS sintēze)
Nepieciešams:
- vienpavediena (vp.) DNS matrice,
- dNTP,
- DNS atkarīgā DNS polimerāze,
- praimeris (ierosa) - sapārots NS posms ar brīvu 3'OH grupu.

12. DNS replikācija (DNS sintēze)
Par praimeri kalpo nukleotīdus gara RNS molekula, kuru sintezē īpašs enzīms - praimāze -
- DNS atkarīga RNS polimerāze.

13. DNS replikācija Sākas no specifiskas vietas ko sauc par ORI.
Šajā vietā satiekas molekulas - replikācijas kompleksa sastāvdaļas.
1. Helikāze atdala abus DNS pavedienus, veidojot vienpavediena (vp.) matrices;
2. vp. DNS saistītājproteīni nodrošina DNS pastāvēšanu vienpavediena formā;

14. DNS replikācija 3. Praimāze katalizē RNS praimeru sintēzi;
4. DNS polimerāze katalizē jauna DNS pavediena sintēzi;
5. Izveidojusies replikācijas dakša pārvietojas pa DNS molekulu visā tās garumā, kā rezultātā uz katra DNS matrices pavediena sintezējas jauns DNS pavediens;

15. DNS replikācija
5. Cita DNS polimerāze RNS praimerus aizstāj ar DNS posmiem;
6. Palikušos vienas fosfodiestera saites pārrāvumus atjauno DNS ligāze.

16. DNS replikācija

17. DNS replikācija
Tā kā DNS sintēze notiek tikai 5` -> 3` virzienā, vienu DNS pavedienu iespējams sintezēt kā vienlaidus molekulu.
To sauc par vadošo pavedienu.
Otrs DNS pavediens tiek sintezēts DNS fragmentu veidā, kurus pēc tam apvieno DNS ligāze.
To sauc par atpaliekošo pavedienu.
To veidojošos DNS fragmentus - par Okazaki fragmentiem.

18. DNS replikācija

19. DNS replikācija
ORI rajons
DNS
Replikācijas dakša

21. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)

22. Transkripcija DNS informācijas kopēšana RNS molekulas veidā.
Transkripcija nenotiek visā DNS garumā bet gan pa posmiem.
Parasti katrs gēns tiek transkribēts atsevišķi.
1 gēns - DNS posms, kurš satur informāciju par vienu noteiktu funkcionālu molekulu (~ viens gēns - viena pazīme).

23. Transkripcija Transkripciju katalizē DNS atkarīga RNS polimerāze.
Transkripcijas sākumu un beigas nosaka specifiski ģenētiski signāli (noteiktas nukleotīdu secības) kuri nosaka gēna sākumu un beigas.
Transkripcijas sākuma signālu sauc par promoteru.

24. Transkripcija
Promotera raksturīgo nukleotīdu secību atpazīst DNS atkarīgās RNS polimerāzes un uzsāk RNS sintēzi.
Promoteru var saistīt arī dažādi regulējoši proteīni vai nukleīnskābes, kuras regulē gēna aktivitāti.
Gēna beigās atrodas terminējošās nukleotīdu secības (t), kuras sasniedzot RNS-polimerāze pārtrauc mRNS sintēzi un pamet DNS molekulu.

25. Transkripcija t P Promoters Gēna kodējošā daļa Transkripciju apturošā
daļa (gēna beigas) t P
RNSpol.
Gēnā kodēto informāciju nesoša mRNS.

26. Transkripcijas regulācija
lac operons - vajadzīgs laktozes izmantošanai baktēriju šūnā Pi t
P/Olac
Gēni:
lacZ
laktozes izmantošanai nepieciešama enzīma gēns
lacI
represora
gēns

27. Transkripcijas regulācija
RNSpol. t Pi
lacI
Pi - promoters laktozes operona represoram,
ekspresija konstitutīva (neregulējama, notiek visu laiku), vāja, uztur ap 40 attiecīgo mRNS molekulu skaitu šūnā.

28. Transkripcijas regulācija
pēc mRNS tiek sintezēti
represor-proteīni
RNApol. t Pi
lacI
Uz represora mRNS (iRNS) matrices translācijas procesā sintezējas represora proteīni un veido kompleksus ...

29. Transkripcijas regulācija
RNApol.
P/Olac
lacZ
... kuri saista lac gēna operatoru un RNS polimerāze pie P/Olac nevar darboties - transkripcija nenotiek.

30. Transkripcijas regulācija
RNApol.
P/Olac
lacZ
Ja vidē parādās laktoze, ...

31. Transkripcijas regulācija
RNApol.
P/Olac
lacZ
... tā kā induktors saistās ar represorproteīniem un represoru komplekss pamet operatoru.

32. Transkripcijas regulācija
RNApol.
P/Olac
lacZ
Notiek lacZ gēnu transkripcija, un veidojas mRNS laktozes izmantošanai nepieciešamo proteīnu sintēzei.

33. mRNS nobriešana
Eikariotu gēniem ir mozaīkas struktūra - gēna proteīnus kodējoši posmi (eksoni) mijas ar proteīnus nekodējošiem posmiem (introniem).
Transkripcijā tiek kopēti gan eksoni gan introni - veidojas pre-mRNS.
mRNS nobriešanas procesā intronu posmi tiek izšķelti - notiek splaisings.

34. mRNS nobriešana Gēns Pre-mRNS mRNS AAAAAAAAA Transkripcija Splaisings
Promoters Eksoni Introni
Gēns
Transkripcija
Pre-mRNS
Splaisings
mRNS
AAAAAAAAA
Poliadenilēšana -
mRNS 3` galā tiek pievienota poli(A) “aste”

35. mRNS nobriešana Pre-mRNS mRNS 3 A... A... A...
Alternatīvais splaisings - dažādi sakārtojoties eksonu
posmiem no vienas pre-mRNS veidojas nedaudz atšķirīgas
mRNS molekulas.
Pre-mRNS
Alternatīvais
splaisings
mRNS mRNS 2
mRNS 3
A...
A...
A...

37. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)

38. Translācija Proteīnu sintēze pēc mRNS informācijas.
Notiek ribosomās / ar to palīdzību.
Aminoskābes piegādā aminoskābes nesošas transporta RNS (tRNS) molekulas =>
amino-acilētas tRNS.

39. Translācija
Proteīnu biosintēzei nepieciešamā enerģija procesam tiek pievadīta transporta RNS (tRNS) amino-acilēšanas gaitā
ATP => AMP + PP

40. Translācija Ribosomas ir vairāku atšķirīgu proteīnu un noteiktu
RNS (ribosomālās RNS
vai rRNS) molekulu
kompleksi.
RNS
proteīni

41. Translācija
mRNS informācija tiek nolasīta pa 3 nukleotīdiem (tripletiem = kodoniem) - katrs 3 burtu vārds kodē kādu no aminoskābēm.
Translācija sākas no iniciācijas kodona “AUG”, kurš kodē aminoskābi - metionīnu.
Šajā vietā uz mRNS matrices apvienojas ribosomas mazā subvienība un lielā subvienība un sākas translācija.

42. Translācija Augošais proteīna pavediens Ribosomas lielā subvienība
Ribosomas mazā
subvienība
mRNS

43. Translācija
Ribosomas P-centrā atrodas peptidil-tRNS - tRNS, kurai piesaistīts jaunsintezējamā proteīna pavediens.
Ribosomas A-centrā atrodas nākošajam kodonam atbilstošā aminoacil-tRNS.
Translācija beidzas pie “STOP” kodoniem, kuriem neatbilst neviena tRNS (neviena aminoskābe).

44. Translācija tRNS Nukleptīdu triplets = kodons Amino-acil tRNS
antikodons
Peptidil
tRNS
Nukleptīdu triplets = kodons

45. Kodonu tabula
RNS molekulās -
T vietā U

46. Kodonu tabula Apļa vidū norādīts kodona pirmais nukleotīd;
to aptverošajā lokā - kodona otrais
nukleotīds;
nākošajā lokā - kodona trešais
ārējā lokā lasāms kodonam atbilstošās
aminoskābes nosaukums (3 burtu
saīsinājumu formā).
Piemēram, no tabulas var nolasīt, ka kodons "CAT" kodē aminoskābi histidīnu (His), un viens no "Stop" kodoniem ir "TAG".

47. Translācija

48. Translācija

49. Papildus ilustratīvais materiāls (animācijas) atrodamas šeit