Molekulárně biologické základy dědičnosti MAKROMOLEKULY Nejvýznamnější biomakromolekuly  Nukleové kyseliny  Proteiny  Polyacharidy  Lipidy, anorganická složka živých soustav 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 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 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 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.