52. Genetika buňky, molekulární základy dědičnosti

Nukleové kyseliny

- společně s proteiny nejvýznamnější biomakromolekuly živých soustav

- fce: nositele genetické informace, realizace proteosyntézy (tvorby bílkovin)

- DNA, RNA

-stavba:

1. zbytek od H₃PO₄ (fosfát)

2. monosacharid:

β - D - ribosa; 2 - deoxy - β - D - ribosa

3. dusíkaté báze: - purinové: adenin (A). guanin (G)

• pyrimidinové: cytosin (C), thymin (T) - pouze v DNA, uracil (U)- pouze v RNA

Primární struktura NK - řetězová

• NK vznikají z nukleotidů propojením fosfátu jednoho nukleotidu a OH sk. na C₃ monosacharidu dašího nukleotidu=spojováním nukleotidů vzniká polynukleotidový řetězec (vlákno), které má volné konce:

-5′ - konec… volná OH skupina na 5. C monosacharidu

-3′ - konec… volná OH skupina na 3. C monosacharidu

DNA - 2 - deoxy - β - D - ribosa, H₃PO₄, N- báze (A, G, C, T)

RNA - β - D - ribosa, H₃PO₄, N- báze (A, G, C, U)

Pojmy!

Nukleosid - skládá se z N - báze a monosacharidu, vzájemně spojené N - glykosidickou vaybou/C₁, N₉/(adenosin, guanosin, cytidin, thymidin, uridin)

Nukleotid - stavební základ NK, složený z nuleosidu (N - báze+monosacharid) a esterově vázaný zbytek H₃PO₄ na monosacharid/C5/

Sekundární struktura - dvoušroubovice

• tvořena 2 polynukleotidovými řetězci stočenými kolem sebe=dvoušroubovice

• pravotočivá, stabilizovaná H-vazbami vždy mezi stejnými bázemi protilehlých řetězců

• báze protilehlých řetězců jsou k sobě vzájemně komplementární,

• jsou spojeny vodíkovými můstky(A=T, A=U → 2H vazba; C≡G →3H vazby

• oba řetězce DNA jsou antiparalelní - liší se směrem fosfodiesterových vazeb (jedno vlákno ve směru 5′→3′, druhé vlákno ve směru 3′→5′

• průměr 2 nm, báze obsazují jádro dvoušroubovice, fosfodacharidy jsou na okrajích

• šroubovice má 10 párů bází na závit, jeden závit na výšku deseti bází, tj. 3,4 nm

• dalšími stabilizujícími prvky jsou van der Waalsovy síly mezi sosuedními bázemi

• vytvářením iontových a H-vazeb díky přítomnosti záporně nabitých atomů O z volných hydroxylových zbytků H₃PO₄ , které jsou plně ionizovány může DNA tvořit různá prostorová uspořádání=konformace dvoušroubovicových molekul v závislosti na sledu nukleotidů, vlhkosti (množství vody), pH, přítomnosti solí. DNA typy A, B, C, D, Z, za fyziologických podmínek výhradně typ B (prostředí s alespoň 92%vody), v prostředí s nižším obsahem vody než je 75% se vratně B-DNA mění na A - DNA je širší (11 párů bází na závit) a plošší. Z - DNA je ještě širší (12párů bází na závit) a je levotočivá

Terciální a kvartérní struktura

• prokaryotní organismy

• cyklické DNA, nemají volné konce

• dihelikální prstenec, který se dále kroutí do pravo či levotočivé struktury zvané SUPERHELIX

• patří sem : nukleoid=prokaryotní chromozom, plazmidy, DNA- mitochondrií a chloroplastů

• eukaryotní organismy

• lineární, pentlicovité útvary - chromozomy- vznik:

• CHROMATIN - nukleohistonové vlákno - základní stavební jednotka chromozomu(DNA+histony), DNA se stáčí kolem oktetu histonů o 1,74 závitu=NUKLEOZOM, dalším stáčením se tvoří SOLENOID, další kondenzací CHROMOZOM

• druhy histonů:H1, H2A, H2B, H3, H4

• histon H1 je připojen k DNA v oblasti mezi nukleozomy

• chromozom se nachází v jádře eukaryotické buňky, které je zřetelně ohraničeno dvojitou biomembránou od okolní cytoplazmy, uvnitř jádra se nachází 1 nebo více jadérek(nucleolus)

• význam chromozomu: nositel dědičné informace (díky DNA, ze které je složen)

• stavba chromozomu:

• primární konstrikce(zaškrcení)- centromera - slouží k upevnění chromozomu k mikrotubulům dělicího vřeténka(centrioly) při mitóze; rozděluje chromozom na 2 ramena

• 2 ramena- k

• kratší rameno - p …na tomto rameni chromozomu Y se vyskytuje tzv. pseudoautozomální oblast vykazující vysoký stupeň homologie sekvence DNA.V tomto lokusu jsou gonozomy X a Y homologní. Význam:vyskytuje se zde SRY (sex - determing region) - její primární produkt „zapíná“ difernciaci varlat ze společného embryonálního vávinu.

• delší rameno - q

• podélně je chromozom rozdělen na 2 chromatidy

• sekundární konstrikce

• telomera - koncová část ramena

• satelity(někdy)

• umístění centromery je v každém chrom. konstantní a pro něj charakteristické, a je proto důležité pro identifikaci chromozomů v karyotypu

• podle umístění centromery v chromozomu rozlišujeme následující typy:

• metacentrický - centromera uprostřed

• submetacentrický(u člověka) - centromera méně či více posunuta k jednomu konci)

• akrocentrický - centromera téměř na konci

• telocentrický - centromera na samém konci

• chromozom je nejlépe pozorovatelný a barvitelný v metafázi

• metoda proužkování chromozomů slouží k lepší orientaci mezi rameny p, q

• spočívá ve specifickém nabarvení chromozomů v mikroskopickém preparátu, kterým vzniknou po délce každého z nich příčné proužky, ty jsou různě široké a vzájemně oddělené opět různě širokými nezbarvenými proužky.Na každém chromozomu se tak objeví specifický vzorec příčného proužkování

RNA

• zpravidla jeden polynukleotidový řetězec (výjimkou jsou dsRNA viry), nemá taj pravidelnou strukturu jako DNA, i kdzž některé úseky RNA se také váží proti sobě komplementárními bázemi(H - vazby) a tvoří úseky dvoušroubovic

• v RNA jsou vázány tzv. minoritní báze (pseudouridin, hypoxantin, inosin, 1 - methylguanin, 5 - methylcytosin)

Formy RNA:

• m - RNA…mediátorová, messenger, informační

• r - RNA…ribozomální (tvoří základ ribozomu)

• t - RNA…transférová, přenosová (přenáší aktivované AMK z cytoplazmy na ribosomy)

• n - RNA…nukleová=prekurzor pro všechny druhy RNA

• c - RNA…chromatinová=součást chromatinu, aktivátory či represory genů

• hn - RNA… heterogenní jaderná, tzv. pre - mRNA

Syntéza vždy přepisem z matrice DNA.

Ústřední dogma molekulární biologie.

Přenos genetické informace je jedině možný z nukleové kyseliny do nukleové kyseliny nebo z nukleové kyseliny do proteinu, ale její zpětný přenos z proteinu do nukleové kyseliny možný není.(Francis Crick)

DNA ^transkripce RNA^translace PROTEIN

_{zpětná transkripce}

_{replikace replikace}

_{DNA RNA}

REPLIKACE (prokaryot. chromozomu)

=tvorba kopií molekul nukleových kyselin zajišťující přenos genetické informace z DNA do RNA nebo z RNA do RNA

- gen. info se přenáší z jedné molekuly NA do jiné molekuly stejného typu. Vzniká REPLIKA - kopie

• probíhá semikonzervativním, ale také i semidiskontinuálním způsobem (Jeden vedoucí řetězec se syntetizuje na matrici kontinuálně, spojitě. Druhý je diskontinuální, opožďující se, syntetizuje se pomocí Okazakiho fragmentů, podrobněji viz níže.

• 1.replikace začíná od místa ORI (origo) vytvořením replikační vidlice

• 2. probíhá od 3´konce RNA primeru

• 3. rozpletení dvoušroubovice DNA enzymem helikáza →zrušení vodíkových vazeb

• oba její řetězce slouží jako matrice (templáty) pro syntézu komplementárního řetězce - dceřinné molekulyDNA zachovávají stejnou gen. informaci jako půvdní mateřská molekula

• !v nově dosyntetizované DNA je 1 vlákno z původní mateřské DNA!

• 4. na uvolněné matricové řetězce se podle pravidel komplementarity váží volné nukleotidy za katalytického působení DNA - polymerázy I(katalyzuje hydrolýzu fosfodiesterových vazeb, má endo /exo - nukleázovou fci

• 5. ukončení odstraněním primerů, spojení ligázou

1. kontinuální syntéza vedoucího DNA - řetězce

• proces připojování nukleosid 5´monofosfátu k 3´ - OH konci

• prodlužije se souvisle podél matricového řetězce, který je orientován ve směru 3´→5´

• působení polymerázy III

2. diskontinuální syntéza opoždujícího se DNA - řetězce

• probíhá přes Okazakiho fragmenty, které vznikají od 3´konce RNA primeru

• probíhá podél matricového řetězce orientovaného 5´→3´

• působení polymerázy I, III

Problém s ukončením replikace nastává u lineárních dvouřetězcových molekul →eukaryot. U kružnicové DNA(bakterií, mitochondrií) tento problém nenastává.

REPLIKACE (eukaryotického chromozomu)

• problém s nedokončenou replikací 3´konců řetězců, které působí jako matricové - na těchto koncích nemůže totiž DNA - polymeráza katalyzovat napojování deoxyribonukleotidů, neboť nemá „co napojovat“ - po odstranění RNA - primerů totiž chybí 3´konec!

• 3´konce obou matricových řetězců působí jako primery pro katalytickou činnost enzymu telomerázy, jehož ppomocí se k 3´konci matricového řetězce postupně syntetizuje tzv. telomerická sekvence, která je komplementární k matrici→dochází k prodlužování 3´konce matrice

Enzymy katalytzující replikaci

• DNA - polymerázy

- katalyzují syntézu DNA z ribonukleosidtrifosfátu za přítomnosti DNA nebo RNA - primeru (primer je krátký oligonukleotidový řetězec od jehož 3´ konce začíná replikace.

-!syntéza nového řetězce běží ve směru 5´→3´!(směr fosfodiesterových vazeb)

(polynukleotidový řetězec se prodlužuje na 3´konci tak, že se na 3´ - OH skupinu napojí vždy nukleosid - 5´ - monofosfáty, které odnímají z nukleosid - 5´trifosfátu

• DNApolymeráza I - u bakterií

• katalýza syntézy DNA

• hydrolýza fosfodiesterových vazeb (fce endonuklaázová - štěpí uvnitř, exonukleázová, štěpí na konci řetězce)

• katalyzuje polymeraci DNA po Okazakiho gragmentu

• odstranění RNA primeru

• má opravnou fci, dělá málo chyb

• DNA - polymeráza III

• syntéza vedoucího řetězce a syntéza Okazakiho fragmentu

• málo stabilní, ale vysoká polymerační aktivita

• DNA - ligáza

• spojování ligace) fosfodiesterové vazby mezi 5´ - koncem a 3´ - koncem DNA řetězců nebo jejich fragmentů

• uplatńuje se při spojování Okazakiho fragmentů

• DNA - primáza

- katalyzuje syntézu DNA - primeru, tj. oligonukleotidu, od jehož 3´konce se syntetizuje krátký polydeoxyribonukleotid=Okazakiho fragment (1000 - 2000 nukleotidů)

• DNA - helikázy

- katalyzují štěpení vodíkových vazeb, které drží pohromadě polydeoxyribonukleotidové řetězce

• nutnost dodat energii štěpením ATP

PROTEOSYNTÉZA

• tvorba bílkovin procesem transkripce, kdy vzniká primární transkript nesoucí info o bílkovině, ale vlastní vznik bílkovin je podmíněn až translací (překladem info z mRNA do jazyka bílkovin, děje se tak na ribozomu za účasti t - RNA)

TRANSKRIPCE

• proces přepisu genetické informace vlákna  DNA do mRNA

• probíhá v cytoplazmě

• transkripce bakteriálního genomu (prokaryota)

• přepisem celého kódujícího vlákna vzniká mRNA

• transkripce eukaryotického genomu

• probíhá přes řadu primárních transkriptů:

• pre - rRNA

• pre - tRNA

• pre - mRNA (hnRNA) - premediátorová (heterogenní jaderná) nese info navíc (delší), skládá se z delších jednotek exonů (nesou info) a z kratších jednotek intronů(nenesou žádnou informaci o struktuře proteinů).m - RNA vzniká až posttranskripčními úpravami (probíhají v jádře):

• přidání čepičky na 5´konci (RNA capping)

• polyadenylace na 3´konci (sekvence složené jen z adeninů=poly(A)-konec⇒stabilizace RNA, ochrana před endonukleázami, lehčí transport jadernými póry do cytoplazmy

• sestřih (splicing) vystřihnou se introny→spojením exonů vzniká mRNA

Alternativní sestřih - různé kombinace exonů a intronů, ovlivnění toho, jaká bílkovina vznikne.

Genová exprese - zapnutí určité části genu, která je aktivní pro něco

-problematická realizace, protože 1 gen je ovlivněn mnoha okolními geny

Mechanismus transkripce:

• Vlákno DNA obsahuje složené geny, které se skládají z následujících jednotek:

• na regulační gen nasedá promotor , který je vazebným místem pro RNA - polymerázu (mírně rozplétá vlákno DNA, vzniká transkripční bublina, transkript se syntetizuje ve směru 5´→3´); dělá hodně chyb

• polymeráza je dočasně blokována represorem (brání transkripci)

• aktivátor vyváže represor→zahájení přepisu až na úseku strukturních genů

• operon je úsek za promotorem, je řízen operátorem („říká“,že transkripce bude nebo nebude probíhat) a promotorem

• terminátor - zde končí transkripce

TRANSLACE

• překlad genetického kódu nukleových kyselin do jazyka bílkovin

• průběh na ribozomu

• významná složka je tRNA - přináší AMK z cytoplazmy na ribozom

• má tvar jetelového listu

• obsahuje hU - dihydrouridinová smyčka (rozpozná druh AMK) - navázání na ribozom

• pseudouridinová smyčka

• variabilní smyčka

• antikodónová smyčka - triplet nukleotidů komplementárních ke kodónu na mRNA, dočasně spojená s m - RNA, po uvolnění odchází hledat další AMK do cytoplazmy

• akceptorový konec CCA 3´

• Mechanismus:

1. NABITÍ tRNA (enzym aminoacyl - tRNA - syntetasa)

1. aktivace AMK - vzniká aminoacyladenylát (aminoacylAMP)

2. aminoacylace tRNA - navázání aktivované AMKna tRNA,(na 3´konec tRNA(CCA) na 2´či 3´OH skupiny terminálního nukleosidu (A)→ vzniká aminoacyl - tRNA

2. INICIACE - zahájení start kodónem AUG (methionin), u prokarzot i GUG

• peptidový řetězec roste od N - konce k C - konci

1. ELONGACE

1. navázání aminoacyl - tRNA na A vazebné místo ribozomu

2. transpeptidace - na P vazebném místěpřipojená amonoacyl - tRNA připojuje peptidovou vazbou aminoacyl - tRNA z vazebného místa A=enzym peptidylsyntetasa

3. translokace - volná tRNA je odsunuta s navázanou mRNA z místa P do E - místa (přechodně váže použitou už „uvolněnou“ t - RNA)

/A - vazebné místo=aminoacylové místo, P - vazebné místo=peptidylové místo/

Poznámka - každá podjednotka ribozomu existuje zvlášť, v okamžiku kdy velká podjednotka narazí na vlákno m - RNA, najde si menší podjednotku a spojí se dohromady.

2. TERMINACE

• ukončení několika terminačními kodóny najednou/UAA, UAG, UGA/

Postranslační úpravy - bílkoviny chaperony kontrolují konformaci vzniklých bílkovin

Zajímavost - v našem těle jsou prionové proteiny, které můžou změnit konformaci po infikaci špatným chaperonem.

Urychlení proteosyntézy - prostřednictvím polyzomů (polyribozom) - více ribozomů současně syntetizuje 1 bílkovinu.

Zajímavost: ribozim je RNA s enzymatickou funkcí (RNA byla dřív než DNA)

Základní genetické pojmy:

Gen - úsek DNA, dědičná informace je zapsána v DNA prostřednictvím pořadí nukleotidů, každý gen je v diploidním organismu ve dvou kopiích (od matky a od otce)

Genový lokus - místo na chromozomu odpovídající jednotlivým genům

Jaderný genom - soubor chromozomových genů v buněčném jádře (veškerá genetická výbava)

Vazbová skupina - soubor genů, které jsou neseny společně 1 chromozomem, geny jsou v genové vazbě, 2 či více genů pohromadě

Alela - rozdílná forma téhož genu

• mnohotný alelismus - existuje více alelických forem téhož genu (ne jenom 2: a, A)

Alelické uspořádání- homozygot - jedinec, který po svých rodičích zdědil tutéž alelu určitého genu:aa, AA

• heterozygot - jedinec, který po svých rodičích zdědil 2 různé formy téhož genu Aa- dominantní a recesivní alelu

Mezialelický vztah - dominance - převládá fce jedné alely A

recesivita - fce jedné alely je potlačena a

kodominance - fce jedné alely nenaruší fci alely druhé

Úplná dominance - k fenotypovému projevu stačí přítomnost pouze jedné dominantní alely

Neúplná dominance - k fenotypovému projevu nestačí pouze jedna dominantní alela, která potlačí projev alely recesivní

epistáze - vztah kdy epistatický gen překrývá funkci genu hypostatického v jiném genovém lokusu. (typické pro projev či neprojev znaku, viz albinismus). Celkově se jedná o genovou interakci, což znamená, že určitý gen v genotypu může být funkčně nadřazen do takové míry, že ve formě určitých alel potlačí fenotypový projev.

Genotyp - soubor všech genů v organismu

Fenotyp - vnější projev genotypu vlivem prostředí, soubor pozorovatelných vnějších znaků a vlastností

Karyotyp - sestava chromozomů konstantních tvarů a velikostí (u člověka 23párů chromozomů)

Vlastnosti genetického kódu:

1. tripletový (každá AMK je kódována tripletem nukleotidů, liší se druhem nukleotidu ve 3. pozici))

2. sestaven z 4³ =64 kodónů

3. degenerovaný - jednotlivé AMK mohou být kódovány různými kodóny, ale nepřekrývají se →neexistuje kód nedegenerovaný

4. pouze 64 kodónů má smysl, tzn. kóduje AMK

• existují 3 nesmyslné - stop kodóny(terminační)UAA, UAG, UGA

• existují i kodóny bifunkční (kóduje AMK a zároveň je start kodónem(iniciační),

• eukaryota mejí iniciační kodón AUG, který kóduje methionin.

• tento kodón je při proteosyntéze naformylován, aby se zamezilo vzniku výsledné bílkoviny pouze z methioninů (nemá N - konec, proto musí být na začátku. Je enzymaticky vyštípnut)

• prokaryota mají iniciační kodón GUG.

5. univerzální (stejný pro všechny živé organismy;výjimka mitochondrie a plastidy mají vlastní DNA)

Poznámka navíc, UGA je též bifunkční (terminační kodón zároveń kˇodující AMK selenocystein, je to 21. AMK)

Dědičnost jaderná (genetická informace uložena v jádře)

1. autozomální - přenos info prostřednictví autozomů, nepohlavních chromozomů, počet (n-1), kde n je celkový počet párů chromozómů v organismu - 22 párů u člověka

2. gonozomální. - přenos genetické informace prostřednictvím pohlavních chromozomů, gonozomů

XX - pohlaví homogametické………….(typ drosofila)

XY - pohlaví heterogametické

Y…nepárový chromozom zvaný alozom

K výměně genetických informací dochází pohlavním rozmnožováním (meiózou)

Dědičnost mimojaderná (genetická info uložena mimo jádro)

m_t - DNA…mitochondriální DNA

p -DNA…plastidová DNA

- oba typy DNA jsou přítomny ve volné podobě →není zde vazba s histony

• mají kruhovou strukturu připomínající jadernou hmotu prokaryoty NULKEOID

• tyto organely nesou informaci, která řídí samotné organely

• mitochondriální DNA řídí:

• buněčné dýchání

• nese genetickou informaci o syntéze enzymů, které se účastní buněčného dýchání

• POZOR! geny mitochondrií i plastidů jsou řízeny informací uloženou v jádře buňky

1

---