1. Ģenētikas molekulārie pamati.
Studiju kurss
Ievads molekulārajā šūnas bioloģijā
5. lekcija.
Ģenētikas molekulārie pamati.
Māris Lazdiņš
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

2. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
DNS un RNS
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

3. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Nukleīnskābju polimērus veido lielā molekulā polimerizēti nukleozīdfosfātu atlikumi - nukleotīdi.
Nukleotīdu sastāvā ietilpst:
- heterocikliska bāze,
- pentoze un
- fosfātu grupa.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

4. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Heterocikliskie savienojumi - ciklā C mijas ar N
Nukleīnskābju sastāvā ietilpstošās heterocikliskās bāzes:
PIRIMIDĪNI
Timīns (T)
Citozīns (C)
Uracils (U)
DNS sastāvā
RNS sastāvā
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

5. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Heterocikliskie savienojumi - ciklā C mijas ar N
Nukleīnskābju sastāvā ietilpstošās heterocikliskās bāzes:
PURĪNI
Guanīns (G)
Adenīns (A)
Gan DNS, gan RNS sastāvā
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

6. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Nukleīnskābju sastāvā ietilpstošie ogļhidrāti -
PENTOZES
Riboze
Dezoksiriboze
DNS sastāvā RNS sastāvā
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

7. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Nukleīnskābju sastāvā ietilpst arī fosfāta grupa
Fosforskābe
Gan DNS, gan RNS sastāvā
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

8. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
NUKLEOZĪDI - heterocikliskā bāze + pentoze
Guanīns
N - glikozīdiskā saite
Guanozīns
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

9. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
NUKLEOZĪDI - heterocikliskā bāze + pentoze N O H 2 1 5 3
Citozīns
N - glikozīdiskā saite
Dezoksicitidīns
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

10. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
NUKLEOZĪDU FOSFĀTI - nukleozīds + fosfātu grupa
Adenīns
Dezoksiadenozīn - 5’ - monofosfāts (d5’-AMP)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

11. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
NUKLEOZĪDU TRIFOSFĀTI - nukleozīds + 3 fosfātu grupas
Dezoksiguanozīn - 5’ - trifosfāts (d5’-GTP)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

12. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML5’
NUKLEĪNSKĀBES O 3’ OH
Nukleīnskābju molekulas veidojas polimerizējoties nukleozīdu trifosfātiem -
nukleotīdus savā starpā saista fosfodiestera saites.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

13. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
(Polinukleotīds)
Fosfodiestersaites
veidošanās
brīvs 3’hidroksils polinukleotīdu pavediena galā
nukleozīdtrifosfāts
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

14. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
5’-gals
(Polinukleotīds)
Fosfodiestersaites
veidošanās
jauna fosfodiestersaite
pirofosfāts
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
3’-gals

15. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML5’ 5’
Vien-
pavediena
DNS -
tetra-
nukleotīds C 5 1 4 2 3 C C A 3’ 3’
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

16. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Bāzu komplementaritāte (saderība)
Adenīns (A)
Timīns (T)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

17. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Bāzu komplementaritāte (saderība)
Guanīns (G)
Citidīns (C)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

18. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Nukleīnskābes veido divpavedienu struktūras, pateicoties mijiedarbībai starp saderīgām bāzēm (ūdeņraža saites)
fosfāts
hidroksils
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

19. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
NUKLEĪNSKĀBES
Cilpas un "matatadatas" (loops and hairpins) baktēriju vīrusa RNS struktūrā
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

20. transporta RNS (tRNS) struktūra
NUKLEĪNSKĀBES
transporta RNS (tRNS) struktūra
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

21. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Nukleīnskābju funkcijas
Funkcija Piemērs
Iedzimtības informācijas saglabāšana un tās Gēni,
darbības regulācija regulācijas secības
DNS
Mehāniskā Centromēru DNS,
kinetoplasti
Iedzimtības informācijas pārnešana uz proteīnu mRNS (iRNS)
sintēzes aparātu
RNS
Struktūru veidošana mRNS nobriešanas un 7S RNS,
transporta gaitā; arī ribosomās rRNS
Aminoskābju transports proteīnu biosintēzes tRNS
procesā, arī ģenētiskā koda tulkošana.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

22. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Molekulārā ģenētika
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

23. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
Replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

24. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML5’
DNS sintēze OH 3’ 5’
Katalizē DNS atkarīgā DNS polimerāze
Nepieciešami dNTP (dezoksinukleozīdtrifosfāti) :
(dATP, dCTP, dGTP, dTTP) OH 3’
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

25. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML5’
DNS sintēze O
Enzīms - DNS polimerāze katalizē fosfodiestera saites veidošanos. 3’ OH
Jaunsintezētais DNS pavediens in vivo vienmēr pagarinās
5` => 3` virzienā.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

26. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS sintēze
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
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

27. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS sintēze
5` -C-OH 3`
3`-ACGTACGTACGTACGTACGTACGT-5` matrice
RNS praimeris (ierosa) [dabīgā sistēmā]
5`-UGCAUGCA-OH 3`
3`-ACGTACGTACGTACGTACGTACGT-5` matrice
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

28. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija (DNS sintēze)
Nepieciešams:
- vienpavediena (vp.) DNS matrice,
- dNTP (četru veidu dezoksinukleozīdtrifosfātu maisījums),
- DNS atkarīgā DNS polimerāze,
- praimeris (ierosa) - sapārots NS posms ar brīvu
3' - OH grupu.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

29. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija (DNS sintēze)
Par praimeri dabīgos apstākļos (šūnā) kalpo nukleotīdus gara RNS molekula, kuras sintēzi katalizē īpašs enzīms - praimāze -
- DNS atkarīga RNS polimerāze.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

30. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
Sākas no specifiskas vietas (sekvences) ko sauc par ORI (origin of replication).
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;
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

31. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
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;
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

32. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
5. Cita DNS polimerāze katalizē RNS praimeru aizstāšanu ar DNS posmiem;
6. Palikušos vienas fosfodiestera saites pārrāvumus atjauno DNS ligāze.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

33. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

34. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
Tā kā DNS biosintēze notiek tikai 5` => 3` virzienā, vienu no DNS pavedieniem iespējams sintezēt kā vienlaidus molekulu.
To sauc par vadošo pavedienu.
Otrs DNS pavediens tiek sintezēts atsevišķu DNS fragmentu veidā.
Tos pēc tam apvieno DNS ligāze.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

35. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
No fragmentiem apvienoto DNS pavedienu sauc par atpaliekošo pavedienu.
To veidojošos DNS fragmentus - par Okazaki fragmentiem.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

36. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

37. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
DNS replikācija
ORI rajons
DNS
Replikācijas dakša
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

38. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

39. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

40. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
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).
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

41. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Transkripcija
Transkripciju katalizē DNS atkarīga RNS polimerāze.
Transkripcijas sākumu un beigas nosaka specifiski ģenētiski signāli (noteiktas nukleotīdu secības), kuri attiecīgi izvietoti gēna sākumā un beigās.
Transkripcijas sākuma signālu sauc par promoteru.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

42. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Transkripcija
Promoteriem raksturīgās nukleotīdu secību atpazīst DNS atkarīgās RNS polimerāzes un ierosina RNS sintēzi. (šajā procesā praimeri nav vajadzīgi)
Promoteru var saistīt arī dažādi regulator - proteīni vai nukleīnskābes, kuras regulē gēna aktivitāti.
Gēna beigās atrodas terminējošās nukleotīdu secības (t), tās sasniedzot RNS-polimerāze pārtrauc katalizēt mRNS sintēzi un pamet DNS molekulu.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

43. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Transkripcija
Promoters Gēna kodējošā daļa Transkripciju apturošs
signāls (gēna beigas) t P
RNSpol.
Gēnā kodēto informāciju nesoša mRNS (iRNS).
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

44. Transkripcijas regulācija
lac operons - vajadzīgs laktozes izmantošanai baktēriju šūnā Pi t
P/Olac
Gēni:
lacI
represora
gēns
lacZ u.c.
laktozes izmantošanai nepiecie-šamu enzīmu / proteīnu gēni
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

45. Transkripcijas regulācija
RNSpol. t Pi
lacI
Pi - promoters laktozes operona represoram,
ekspresija konstitutīva (neregulējama, notiek visu laiku), vāja, uztur ap 40 attiecīgo mRNS molekulu lielu skaitu šūnā.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

46. Transkripcijas regulācija
pēc mRNS tiek sintezēti
represor-proteīni
RNApol. t Pi
lacI
Pēc represora mRNS matrices translācijas procesā sintezējas represorproteīni un veido kompleksus ...
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

47. Transkripcijas regulācija
RNApol. t
P/Olac
lacZ
... kuri saista lac operona operatoru un RNS polimerāze pie P/Olac nevar darboties - transkripcija nenotiek.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

48. Transkripcijas regulācija
RNApol. t
P/Olac
lacZ
Ja vidē parādās laktoze, ...
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

49. Transkripcijas regulācija
RNApol. t
P/Olac
lacZ
... tā, kā induktors saistās ar represorproteīniem, izmaina to telpisko struktūru, un represoru komplekss pamet operatoru.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

50. Transkripcijas regulācija
RNApol. t
P/Olac
lacZ
Notiek lacZ gēna transkripcija, un veidojas mRNS laktozes izmantošanai nepieciešamo proteīnu sintēzei.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

51. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

52. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
mRNS nobriešana
Eikariotu gēniem raksturīga mozaīkas struktūra - gēna proteīnus kodējošie posmi (eksoni) mijas ar proteīnus nekodējošiem posmiem (introniem).
Transkripcijā tiek kopēti gan eksoni gan introni - veidojas pre-mRNS.
mRNS nobriešanas gaitā, paralēli citām izmaiņām, intronu posmi tiek izšķelti - šo procesu sauc par splaisingu.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

53. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
mRNS nobriešana
Promoters Eksoni Introni
Gēns
DNS
Transkripcija
Pre-mRNS
Splaisings
mRNS
AAAAAAAAA
Poliadenilēšana -
mRNS 3` galā tiek pievienota poli(A) “aste”
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

54. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
mRNS nobriešana
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...
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

55. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

56. Molekulāri - ģenētiskie procesi šūnā
DNS
mRNS
proteīni
replikācija (DNS sintēze)
transkripcija (RNS sintēze)
translācija (proteīnu sintēze)
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

57. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
Proteīnu biosintēze pēc mRNS informācijas.
Notiek ribosomās.
Aminoskābes piegādā aminoskābes nesošas transporta RNS (tRNS) molekulas =
amino-acilētas tRNS.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

58. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
mRNS informācija tiek nolasīta pa 3 nukleotīdiem (tripletiem = kodoniem) - katrs trīs 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, uzsākas translācijas process.
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

59. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
"Augošā" proteīna molekula
Ribosomas lielā
subvienība
Ribosomas mazā subvienība
mRNS
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

60. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
Ribosomas P-centrā atrodas peptidil-tRNS - tRNS, kurai piesaistīta jaunsintezējamā proteīna molekula.
Ribosomas A-centrā atrodas nākošajam kodonam atbilstošā aminoacil-tRNS.
Translācija beidzas pie “STOP” kodona, kuram neatbilst neviena tRNS (neviena aminoskābe).
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

61. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
Amino-acil
tRNS
tRNS
antikodons
Peptidil -
tRNS
Nukleotīdu triplets = kodons
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

62. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Kodonu tabula
RNS
molekulās -
T vietā U
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

63. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Kodonu tabula
Apļa vidus daļā norādīts kodona pirmā
nukleotīda veids;
to aptverošajā lokā - kodona otrā
nākošajā lokā - kodona trešā
ārējā lokā - 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".
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

64. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Translācija
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

65. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML
Papildus ilustratīvais materiāls (animācijas) atrodamas šeit
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML