Molekulární genetika

1. Molekulární genetika DNA a RNA

2. Nukleové kyseliny • nukleové kyseliny jsou nositelkami dědičné informace • dochází k přenosu dědičných znaků na potomstvo a k evoluci • nejdůležitější jejich schopností je schopnost replikace • jejich základními stavebními jednotkami jsou tzv. nukleotidy • nukleotidy se skládají z pětiuhlíkatého cukru (pentózy), zbytku kys. fosforečné (H3PO4) a dusíkatých bází • Vzniká tak pomocí vazeb polynukleotidové vlákno

3. DNA - struktura • DNA = kyselina deoxyribonukleová -její molekula je tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci • dusíkaté báze jsou zastoupeny deriváty purinu (Adenin, Guanin) a pyrimidinu (Cytosin, Thymin) • mezi N-bázemi protějších vláken dochází k vazebným interakcím = zákon komplementarity • spolu se váží vždy jen 2 specifické N-báze (vždy 1 báze pyrimidinová a 1 purinová) a to sice Adenin a Thymin (spojeny 2 vodíkovými můstky) a Cytosinem a Guaninem (3 vodíkové můstky) • mezi sousedními bázemi navíc působí van der Waalsovy síly (pomáhají k celkové stabilitě molekuly) • obě polynukleotidová vlákna (primární struktura DNA) vytváří (nejčastěji) pravotočivou šroubovici označovanou jako double helix (sekundární struktura DNA)

5. 2 vodíkové můstky

6. 3 vodíkové můstky

7. Replikace DNA • replikace DNA = schopnost zajišťující dědičnost • pro rozmnožování je nezbytné, aby potomek dostal plnohodnotnou genetickou informaci • při replikaci vzniknou z jedné mateřské molekuly DNA dvě naprosto stejné DNA dceřiné (každá s jedním vláknem z původní DNA) • klíčovou roli při replikaci DNA mají enzymy (DNA polymerázy) • u člověka se vyskytuje 5 druhů enzymů označované jako DNA polymerázy • aby DNA polymeráza mohla zahájit připojování nukleotidů nového vlákna DNA, musí být vodíkové můstky = vazby mezi oběma vlákny nejprve narušeny (využití RNA polymerázy)

8. Replikace DNA • místa, kde tato narušení vzniknou jsou označovány jako replikační počátky • u bakterií bychom takovýto počátek našli pouze jeden, zatímco mnohem větší lidská DNA vytváří takovýchto počátků okolo 10 000. To jí umožňuje zreplikovat se také v poměrně krátké době. Poté co jsou k předlohovým (templátovým) vláknům dosyntetizována vlákna nová, je replikace DNA dokončena • DNA polymeráza udělá 1 chybu asi na 107 zreplikovaných bází (teoreticky mohou vznikat i dvojice G-T a A-C, jsou ovšem mnohem méně stabilní), navíc má sama korekční funkci. Replikace DNA je semikonzervativní děj, neboť v obou nově vzniklých DNA je jedno vlákno z původní dvoušroubovice

9. narušení vodíkových můstků a rozpletení mateřské DNA nové doplněné vlákno nové doplněné vlákno mateřská dvoušroubovice DNA

12. RNA - proteosyntéza • = kyselina ribonukleová • její molekula je tvořena většinou jen jedním polynukleotidovým vláknem • sacharidovou složku tvoří 5C cukr D-ribosa, N-báze tvoří Adenin, Cytosin, Guanin a Uracyl • RNA může sama vykonávat i některé enzymatické funkce (štěpení esterové vazby, katalýza polymerace ...). Také díky tomu se usuzuje, že u prvních praorganismů byla nositelkou genetické informace právě RNA • Vyskytují se 3 základní typy RNA: • mRNA: messenger RNA neboli informační. Přenáší informaci o pořadí aminokyselin z jádra k místu proteosyntézy. • tRNA: transferová RNA. Přináší aminokyseliny na proteosyntetický aparát buňky. Funkčně se na nich rozlišuje několik míst, nejdůležitější je antikodon se specifickou trojicí bazí (různým antikodonům odpovídají různé aminokyseliny) a místo kde je samotná aminokyselina navázána. • rRNA: ribozomální RNA. Tvoří stavební složku ribozomálních podjednotek.

13. Transkripce (přepis) = přepis genetické informace z DNA do mRNA (mediátorová RNA) • jedná se v drtivé většině o informaci z jednoho genu, sloužící k tvorbě 1 specifické bílkoviny, kterou buňka zrovna potřebuje • poté, co je informace přepsána, je díky mRNA přenesena na proteosyntetický aparát, kde se podle opsaného pořadí zahájí proteosyntéza

14. Translace (překlad) • translace je vlastně přenos genetického kódu mRNA do pořadí aminokyselin v polypeptidovém vláknu • k proteosyntéze (tj. biosyntéze bílkovin) dochází na ribozómech • kromě mRNA vzniklých transkripcí jsou zapotřebí i tRNA z cytoplazmy

15. tRNA • v buňce (cytoplazmě) je tRNA min. 20 typů • každý specifický typ tRNA odpovídá jedné aminokyselině, která tvoří danou bílkovinu • molekuly tRNA mají schopnost navázat na sebe molekulu příslušné odpovídající aminokyseliny • každý typ tRNA má ve své molekulární struktuře triplet = antikodon, který se komplementárně připojí ke kodonu mRNA

17. Vznik bílkoviny • přiřazováním antikodonů ke kodónům se dostávají do těsné blízkosti také příslušné aminokyseliny, které se postupně spojují peptidovými vazbami v polypeptidový bílkovinný řetězec • v NK se uplatňují 4 typy dusíkatých bází – začlenění 20 různých aminokyselin do bílkovin rozhoduje 64 odlišných kombinací tripletů • většina aminokyselin je kódována dvěma i více různými triplety

18. Tabulka genetického kódu

19. Genetický kód • po řadě pokusů bylo dokázáno, že genetický kód je tripletový, to znamená, že každá trojice bází kóduje jednu aminokyselinu • tyto trojúseky na mRNA se nazývají kodony • celkem jsou 4 báze, takže pro kombinaci máme celkem 4x4x4=64 možností • důležitý je triplet AUG, neboť jde o triplet iniciační a triplety UAA, UAG a UGA, které jsou označovány jako triplety terminační, neboli beze smyslu

20. Proteosyntéza • proteosyntéza je zahájena iniciační tRNA (transferová RNA) • ta se naváže na malou ribozomální podjednotku a začne pomalu projíždět molekulu mRNA • jakmile objeví iniciační sekvenci AUG - naváže se a translace začíná • na další sekvence (kodony) nasedají další tRNA podle komplementarity bází (systém kodon na mRNA - antikodon na tRNA) • mezi přinesenými aminokyselinami vznikají peptidové vazby • za tuto část translace - elongaci - je zodpovědná zejména velká ribozomální podjednotka • jakmile zbývá již jen kodon beze smyslu (terminační) je proteosyntéza ukončena a vzniklé polypeptidové vlákno může být dále v buňce upravováno na požadovanou bílkovinu

21. Pro zájemce • vlákna DNA ve dvoušroubovici jsou orientována antiparalelně • DNA vlákno má tak "dva konce" - podle čísla volného uhlíku deoxyribosy rozlišujeme 5' a 3' konec • při zápisu komplementárního vlákna tak musíme mít na paměti, že druhé vlákno je orientováno antiparalelně Příklad: 5'C A T T G A G T 3‚ - 1. vlákno dvoušroubovice 3'G T A A C T C A 5‚ - 2. vlákno dvoušroubovice

22. Translace podrobněji • přepis genetické informace z DNA do mRNA provádí enzym DNA dependentní RNA polymerasa. Je důležité si uvědomit, že polymerasa čte matrici (vlákno DNA) ve směru 3' → 5', zatímco syntéza mRNA řetězce probíhá ve směru 5' → 3'. • geny jsou umístěny na obou vláknech DNA. Pro konkrétní gen je však vždy směrodatná pouze správně polarizovaná sekvence jednoho vlákna • z hlediska jednoho přepisovaného genu můžeme vlákna dvoušroubovice DNA rozdělit na kódující(paměťové) vlákno a pracovní vlákno.

23. Translace - příklady Příklad: Máte zadaný úsek vlákna DNA. Dopište k zadanému vláknu komplementární vlákno mRNA. a) Pro DNA pracovní vlákno: 3' C A T T G A G T 5' DNA - pracovní vlákno 5' G U A A C U C A 3' mRNA b) Pro DNA paměťové vlákno: 5' C A T T G A G T 3' DNA - paměťové vlákno 3' G T A A C T C A 5' DNA - pracovní vlákno 5' C A U U G A G U 3' mRNA

24. Translace • translace probíhá na ribozomech, kde je matrice (vlákno mRNA) čtena ve směru 5' → 3'. Příklad: • Máte zadaný úsek vlákna mRNA. Proveďte translaci a zapište vzniklou sekvenci aminokyselin. 5' G A A A C C C U U 3' • úkol snadno vyřešíme pomocí tabulky genetického kódu, která k určitým tripletům přiřazuje kódované aminokyseliny • mějte na paměti, že tyto tabulky odpovídají kodonům na mRNA, která je "čtena" ve směru 5' → 3‚ glu - thr - leu

25. Příklad translace máte zadané paměťové vlákno DNA. Napište sekvenci mRNA, vzniklé transkripcí tohoto genu a proveďte jeho translaci. • 3' T T T A G T G G A T A C A C G 5' Řešení: • V příkladu si všimněte, že pokud jednoduše "pod sebe" napíšete paměťové vlákno DNA, pracovní vlákno DNA a vlákno mRNA - potom má mRNA polarizaci 3' → 5'. To samo o sobě nevadí, ovšem je nutno si uvědomit, že translace probíhá ve směru opačném! Proto je nutné postupovat v tomto případězprava doleva - nebo si pro názornost přepsat mRNA do správné polarizace (více než správné se hodí slovo "pohodlné"). Potom již není problém pomocí tabulky genetického kódu napsat sekvenci aminokyselin. Všimněte si, že vznikne řetězec pouhých tří aminokyselin - čtvrtý triplet je totiž terminační a ukončí tak translaci. • Výsledek: • 3' T T T A G T G G A T A C A C G 5' DNA - paměťové vlákno • 5' A A A T C A C C T A T G T G C 3' DNA - pracovní vlákno • 3' U U U A G U G G A U A C A C G 5' mRNA • 5' G C A C A U A G G U G A U U U 3' správně orientovaná mRNA • ala - his - arg vzniklý tripeptid