Molekulárně biologické základy dědičnosti MAKROMOLEKULY Nejvýznamnější biomakromolekuly  Nukleové kyseliny  Proteiny  Polyacharidy  Lipidy Funkce Uchovávání a přenos (během dělení buněk) genetické informace Určují „program“ buňky a nepřímo i celého organizmu Stavba řetězec – polymer nukleotidů vzájemně spojených (tisíce až milion nukleotidů) DNA=deoxyribonukleová kyselina RNA=ribonukleové kyselina Nukleotid – jednotkou nukleových kyselin - 4 druhy Cukr + báze + zbytek kys. fosforečné Nukleové kyseliny Nukleotid 5 uhlíkatý cukr (pentóza) 2-deoxy-D-ribóza (DNA) /D-ribóza (RNA) Fosfát (zbytek kyseliny fosforečné) HPO3 Báze – 4 druhy Nukleosid 5 uhlíkatý cukr (pentóza) 2-deoxy-D-ribóza (DNA)/D-ribóza (RNA) Báze – 4 druhy Spojení horizontální: vodíkové můstky Spojení vertikální: fosfodiesterové vazby Dusíkaté báze - párování DNA RNA A-T C-G A-U C-G Obecná struktura NK  Primární struktura –sekvence bazí nukleových kyselin ve vláknech  Sekundární struktura –set interakcí mezi bázemi  Terciární struktura –3D  Kvartérní struktura –vyšší úrovně organizace  DNA v chromatinu  interakce RNA jednotek v ribosomu nebo spliceosomu. DNA – deoxyribonukleová kyselina Skládá se ze 2 vláken – řetězců („double helix“) - komplementární a antiparalelní Řetězce se otáčí proti sobě a vytvářejí dvoušroubovici Spojení prostřednictvím vodíkových můstků v místě bazí Stabilní (neopouští prostor buněčného jádra) Antiparalelní řetězce DNA a komplementarita bazí Gen Sled nukleotidů (bází) v sobě uchovává genetickou informaci. ……..Informace pro utvoření určité vlastnosti organizmu. Různým sledem nukleotidů lze dosáhnout velkého počtu kombinací. =konkrétní úsek DNA nesoucí dědičnou informaci pro tvorbu bílkoviny Gen Strukturní  nese informaci o primární struktuře proteinu:  stavebního proteinu  s biologickou nebo chemickou funkcí Regulační  úsek DNA, plnící regulační funkci  vazebná místa pro specifické proteiny,určující,  zda gen bude či nebude přepisován Geny pro RNA  nesou informaci pro stavbu tRNA a rRNA Alela = je varianta genu na molekulární úrovni alela zajišťuje konkrétní fenotypový projev genu každá alela má nepatrný rozdíl v sekvenci nukleotidů u jedince mohou na homologních jaderných chromozomech být přítomny pouze dvě alely alely se buď vyskytují v populaci ve dvou formách, tzn. že existují dvě odlišné alely daného genu nebo ve více formách – mnohotná alelie RNA – ribonukleová kyselina Funkce je prostředníkem realizace (exprese) informací uložených v DNA =proteosyntéza=syntéza bílkovin Stavba řetězec – polymer nukleotidů vzájemně spojených 5 uhlíkatý cukr (pentóza):D-ribóza Fosfát (zbytek kyseliny fosforečné) HPO3 Báze – 4 druhy – A, U, C, G • na rozdíl od DNA obvykle jednovláknová • často ovšem díky vnitřnímu párování zaujímá složitější struktur Druhy RNA m-RNA  Messenger RNA, informační RNA, mediátorová RNA;  přenáší dědičnou informaci, která je uložena v genu  a kóduje přesné pořadí AMK v bílkovině;  vzniká přepisem (transkripcí) z DNA a následným sestřihem (splicing);  z jádra je transportována do cytoplazmy, kde se ve spojení s ribozomy účastní syntézy bílkovin (translace) Druhy RNA t-RNA • Transferová RNA; • přináší aminokyseliny na správné místo vznikajícího polypeptidu – na proteosyntetický aparát buňky • za klasické schéma molekuly tRNA je považován „trojlístek jetele“; • na konci CCA 3´ je navázána esterovou vazbou přenášená AMK. • vzniká transkripcí polymerasou III genů roztroušených na různých místech genomu; • primární transkript je upraven sestřihem, kdy jsou odstraněny introny; Druhy RNA r-RNA • Ribozomová RNA; • spolu se specifickými bílkovinami se podílí na tvorbě ribozomu • pravděpodobně zodpovědná za funkci ribozomu - proteosyntéza • Jednovláknitá i dvoušroubovice • vzniká v jadérku podle zvláštního předpisu rDNA Jednotná molekulární strategie buněk Bílkoviny (proteiny) nejdůležitější biomakromolekuly součástí svalů, kůže, vlasů, krve…. 19% hmotnosti člověk … univerzální, mohou mít funkci: Stavební – keratin (vlasy, nehty), kolagen (kosti, šlachy, chrupavky, kůže) Řídící a regulační – hormony (inzulín, tyroxin, glukagon) Zásobní – dlouhodobý nedostatek sacharidů a tuků vede ke štěpení svalů, feritin (zásobní železo) Biochemická – enzymy (štěpení škrobu amyláza, pepsin štěpení bílkovin) Transportní – hemoglobin, albumin Pohybová – myosin, aktin (svaly), tubulin (spermie) Kontrolní Ochranná – imunoglobuliny, fibrin ….odpovědné za realizaci projevů života! Jednotná molekulární strategie buněk Bílkoviny (proteiny) skládají se z AK (aminokyselin) spojených peptidickou vazbou Makromolekuly bílkovin zaujímají v prostoru růžná složitá uspořádání  Primární  (pořadí AMK)  Sekundární  (geometrické uspořádaní řetězce)  Terciární  (prostor. Uspořádní sekundární struktury,  obhacené vodík. Můstky….)  Kvartérní  (podjednotkové složení) Specifický vztah mezi strukturou a funkcí: posloupnost aminokyselin  struktura  funkce Kritická podmínka pro zachování životních pochodů buňky: mít možnost podle potřeby vytvořit protein pro zabezpečení dané funkce Centrální dogma molekulární biologie Přenos genetické informace v živých organismech vždy DNA  RNA  protein Centrální dogma molekulární biologie Přenos genetické informace v živých organismech vždy DNA  RNA  protein Vyjádřením informace obsažené v genech (resp. v DNA) do bílkovinné struktury se nazývá: EXPRESE GENU. 1. Replikace 2. Transkripce 3. Translace EXPRESE GENU Replikace  = zdvojení DNA  je proces tvorby kopií molekuly DNA, čímž se genetická informace přenáší z jedné molekuly DNA (templát, matrice) do jiné molekuly stejného typu (tzv. replika)  celý proces je semikonzervativní, tzn. každá nově vzniklá molekula DNA má jeden řetězec z původní molekuly a jeden nový, syntetizovaný Replikace  Celý proces probíhá semidiskontinuálně – vedoucí řetězec se syntetizuje kontinuálně, váznoucí řetězec se syntetizuje diskontinuálně – Okazakiho fragmenty  dochází k řazení nukleotidů jeden za druhým, a to podle vzorové původní molekuly DNA  výsledkem tohoto řazení nukleotidů je nakonec kompletní DNA daného organizmu, v podstatě identická kopie původní DNA Replikace Enzymy: DNA polymeráza, DNA primáza – katalyzuje polymeraci DNA helikáza, DNA topoizomeráza, DNA ligáza Iniciátorové a stabilizační enzymy Replikace  je v základních rysech stejná u všech organizmů a obecně je možné její průběh rozdělit do tří základních kroků:  Iniciace – rozpletení dvoušroubovice DNA, vznik replikační vidlice a navázání enzymatického komplexu  Elongace – přidávání nukleotidů a postup replikační vidlice  Terminace – ukončení replikace Replikace Iniciace  začíná připojením primerů na specifických místech – počátcích replikace  Eukaryota – i několik tisíc replikačních počátků  Bakterie – jeden počátek  Enzymatické rozvolnění vlákna mateřské DNA Replikace Elongace  DNA polymerázy provádí syntézu nových řetězců Terminace  Ukončení replikačního procesu Replikace  Bakterie – replikace má jeden nebo několik set replikačních počáteků (nukleoid – jedna kruhová DNA), replikace probíhá v kruhu  Eukaryota – více replikačních počátků, složitější enzymatické děje  Viry – popsaný proces využívají jen některé viry, své modifikace Replikace – replikační aparát Transkripce  = „přepis“ z DNA do mRNA podle principu komplementarity bazí  je proces, při němž je podle genetické informace zapsané v řetězci DNA vyráběn řetězec RNA  probíhá u všech známých organizmů včetně virů. U bakterií se odehrává volně v cytoplazmě, u některých vyšších organizmů (tzv. eukaryota probíhá v buněčném jádře)  Enzymatický proces: enzym RNA polymeráza, schopný podle vzoru v podobě DNA vyrábět kopii v podobě RNA Transkripce  Nejdříve se rozplete dvoušroubovice DNA, která se skládá z jednotlivých genů  RNA polymeráza vyhledá promotor – specifický sekvence nukleotidů (např. TATA box), naváže se na začátek genu a začne na nukleotidy DNA připojovat komplementární nukleotidy RNA  Když se do mRNA přepíše celý gen, jednořetězcová lineární molekula mRNA se odpojí a v typickém případě putuje k ribozomu, kde z ní v procesu translace vzniká bílkovina. Transkripce Fáze: Iniciace – rozvine se dvoušroubovice DNA, začne se vytvářet RNA za´účasti RNA polymerázy Elongace – prodlužování řetězce Terminace – ukončení transkripce a uvolnění RNA molekuly; následuje několik posttranskripčních úprav, které ovšem nejsou součástí procesu transkripce Transkripce Posttranskripční úpravy „Splicing“ …sestřih Spočívá ve vystřižení nekodujících částí = intronů z původních vlákna a vlákno je dále tvořeno exony = kodující část vlákna, která jsou k sobě enzymaticky spojena  Co jsou zač introny  Paratizický původ?  Zvýšení evolučního potenciálu? Translace  = překlad  Translace neboli proteosyntéza je překlad nukleotidové sekvence mRNA do sekvence aminokyselin proteinu  Proces probíhá na ribozomech a jednotlivé aminokyseliny jsou zařazovány podle pravidel genetického kódu Translace Translace Translace Translace Pro translaci jsou zapotřebí: RNA molekuly:  mRNA (informační) – nese informaci o pořadí aminokyselin rRNA (ribosomální) - stavební jednotky ribosomu (kromě proteinů) tRNA (transferová) – přenašeč aminokyselin při syntéze proteinů na ribosomu enzymy podmiňující jednotlivé reakce (eIF, GTP, ATP, aminokyseliny atd.) Translace  u prokaryot:  translace probíhá současně s transkripcí → tedy na jednom konci vznikající molekuly mRNA probíhá již translace a na druhém pokračuje transkripce;  u eukaryot:  transkripcí vzniká pre-mRNA a následně dochází k posttranskripčním úpravám;  definitivní molekula mRNA je nejprve transportována z jádra do cytoplazmy pomocí transportních proteinů → pak teprve dochází na ribozomech k translaci;  proteiny, které vznikají na volných ribozomech, zůstanou pro buňku;  proteiny vzniklé na ribozomech endoplazmatického retikula pak buňka transportuje do extracelulárního prostoru. Translace Iniciace iniciační tRNA (zvláštní tRNA přenášející AMK Methionin: Met-tRNAiMet), GTP (potřebný zdroj energie)… komplex je navázán na malou podjednotku (40S) ribosomu; k této malé podjednotce ribozomu připojena molekula mRNA za pomoci energie získané štěpením ATP se molekula mRNA posunuje po malé jednotce ribozomu tak dlouho, dokud nenarazí na první triplet AUG (triplet pro Met) → dojde k otevření čtecího rámce (mechanismus zajišťující čtení informace po trojicích bazí mRNA) a zahájení translace; vzniklý komplex je následně spojen s větší podjednotkou ribozomu za pomoci energie uvolněné štěpením GTP Translace Elongace: celý děj (systém kodon na mRNA – antikodon na tRNA) se opakuje až do doby, než je na molekule mRNA nalezen některý stop-kodon = terminační kodon (UAA, UAG, UGA); Terminace: pak nastupuje další bílkovinný faktor (RF), který hotový polypeptid uvolní z ribozomálního komplexu. Regulace a řízení exprese genů  Je dobře prostudovaná u prokaryot  U eukaryot má více úrovní a mechanizmy jsou složitější Odlišní exprese genů u odlišných buněk Všechny buňky našeho těla vznikly mitózou, první buňkou byla zygota. A (téměř) všechny buňky našeho těla obsahují stejný genom Jak je tedy možné, že se naše tělo skládá z cca 200 typů buněk? (svalové, nervové…?) Typická lidská buňka přepisuje v daném čase jen asi 20 % svých genů, velmi diferencované buňky, jako jsou svalové buňky přepisují dokonce ještě menší procento genů. Jednotlivé buňky se tedy od sebe liší ani ne tak tím, že by obsahovaly odlišné geny, nýbrž tím, že odlišné geny jsou exprimovány. Otázkou tedy jest, jak může RNA polymeráza najít v nezměrném moři písmen začátek správného genu, který má v této buňce v tomto čase přepsat?!