Transcript Molekulární základy genetiky

GENETIKA
Literatura pro zopakování znalostí ze
střední školy
GENETIKA
• Eduard Kočárek
• Scientia, Praha
• 2004
Doplňková literatura
GENETIKA
• D. P. Snustad – M. J. Simmons
• Masarykova univerzita
• Brno
• 2009
Molekulární základy dědičnosti
Základní dogma molekulární genetiky
Základní dogma molekulární genetiky základní biochemické operace s
nukleovými kyselinami, které probíhají v každé živé buňce.
1. Toto dogma předpokládá, že u naprosté většiny organismů je „návod“, jak
má buňka vypadat a jaké má plnit funkce zapsán prostřednictvím molekul
deoxyribonukleové kyseliny (DNA).
2. Vlastnosti buňky jsou dány proteiny, které buňka dokáže vyrábět. Prvním
krokem pro výrobu proteinů je přepis genů z molekul DNA do molekul
ribonukleových kyselin (RNA). Tento proces se označuje transkripce.
3. Molekuly RNA jsou následně překládány do pořadí aminokyselin, které
vytvářejí polypeptidový řetězec – protein. Tento proces se označuje
translace.
4. Základním znakem živé buňky je schopnost vytvářet identické kopie molekul
DNA, které jsou nezbytné pro buněčné dělení. Tento proces se označuje jako
replikace DNA.
Streptococcus
pneumoniae je
schopen transformace
Definice genu
Z hlediska klasické genetiky můžeme gen definovat jako základní
jednotku dědičnosti.
William Batesson (1861-1926, Velká Británie) v roce 1902
poprvé použil termín gen a genetika.
V současnosti termín gen mnohem lépe vystihuje
molekulární definice, která říká, že gen je úsek
molekuly DNA, který kóduje vznik polypetidu.
Z této definice jasně vyplývá, že za geny
nemůžeme považovat veškerou DNA organismu.
Například u člověka geny tvoří pouze 5 % z
celkové DNA.
Molekulární definice genu
buňka
jádro
chromozóm
úsek molekuly DNA
Molekulární definice genu
molekula DNA
Na
obrázku
je
znázorněno
zjednodušené
schéma
vzniku
černého zbarvení u psů. Toto
zbarvená způsobeno pigmentem
melaninem.
Syntéza
tohoto
pigmentu je řízena jaderným genem
A.
gen B
gen C
gen A
DNA
transkripce
RNA
translace
polypeptid tvořený aminokyselinami
Deoxyribonukleová kyselina
DNA – objev struktury
James
Dawey
Watson
Frencis
Harry
Compton
Crick
Maurice
Hugh
Frederick
Wilkins
Rosalinda
Franklinová
1962 – Nobelova cena pro Watsona, Cricka a Wilkinsna.
Rok 1953 – objev dvoušroubovicové
struktury molekuly DNA
Model DNA - pravotočivá dvoušroubovice (alfahelix), který navrhli Watson, Crick a Wilkins v
roce 1953.
Slovo dvoušroubovice znamená, že molekula
DNA je tvořena dvěma vlákny.
různé typy počítačových
simulací struktury DNA
Dvě vlákna molekuly DNA
• Eukaryotní jaderná DNA je tvořena dvěma vlákny.
• Tato vlákna mají antiparalelní uspořádání.
• Vlákna jsou spojena vodíkovými můstky.
Z čeho je molekula DNA sestavena?
• Molekula DNA patří mezi makromolekuly neboli biopolymery .
• To znamená, že každé vlákno je sestaveno z opakujících se „stavebních“
jednotek. Těmito jednotkami jsou nukleotidy.
Každý nukleotid je tvořen:
1. dusíkatou bází
fosfátový
zbytek
2. cukrem
3. fosfátovým zbytkem
cukr
dusíkaté báze
Dusíkaté báze
• Dusíkaté báze jsou důležité pro schopnost molekuly v sobě zakódovat
informaci o aminokyselinovém složení polypeptidů.
• Z hlediska organické chemie báze řadíme mezi dusíkaté heterocyklické
sloučeniny. Heteroatomem je dusík.
Dusíkaté báze molekuly DNA můžeme rozdělit na:
1. Puriny (adenin a guanin), které mají dva heterocykly
2. Pyrimidiny (cytosin a thymin), které mají jeden heterocyklus
V genetice se pro nukleotidy používají následující symboly:
A – adenin
G – guanin
C – cytosin
T – thymin
Při syntéze molekul DNA buňka využívá deoxynukleotid trifosfáty.
Deoxyadenosin trifosfát
fosfátové zbytky
A – adenin
5
4
1
3
2
cukr
deoxyribóza
Komplementarita bází
Dvě vlákna molekuly DNA jsou k sobě vázána prostředím vodíkových
můstků, které která se vytvářejí mezi protilehlými dusíkatými bázemi.
Platí následující pravidla:
1. Purinová báze je vždy navázána na pyrimidinovou bázi.
2. Vodíkové můstky mohou vznikat tudíž mezi adeninem a thyminem
nebo mezi guaninem a cytosinem.
3. Adenin je s thyminem vázán dvěma vodíkovými můstky.
4. Cytosin je s guaninem vázán třemi vodíkovými můstky.
5. Porušení vodíkových můstků se označuje jako denaturace DNA. Tento
proces je vratný.
Komplementarita bází
Replikace DNA a její význam
• Replikace DNA neboli reduplikace neboli syntéza je jedinečný
mechanismus, kdy si buňka dovede vyrobit identické kopie vlastních
molekul DNA.
• Replikace je zcela nezbytná proto aby v tělních buňkách vzniklých
rozdělením mateřské buňky byla zcela identické genetické informace.
• Replikace DNA probíhá vždy před rozdělením buňky.
• Replikace DNA je v buňce přísně kontrolována. Replikační chyby jsou ve
většině případů opraveny.
• Neopravené replikační chyby způsobují bodové mutace.
Replikace DNA v lidské somatické buňce
Mladá lidské somatická
buňka obsahuje 46
chromozómů.
Každý
chromozóm nese jednu
molekulu DNA. Celkový
počet molekul DNA je v
této buňce 46.
Mechanismus replikace
zajišťuje, že ve všech
tělních buňkách budou
identické molekuly DNA.
Buňka obvykle roste a
zvětšuje svou velikost
Po ukončení růstu v buňce proběhne replikace DNA.
Dojde ke zdvojnásobení počtu molekul DNA. Buňka má
tudíž 92 molekul DNA. Přičemž vždy dvě molekuly jsou
zcela identické. Tato buňka je připravena na rozdělení.
Z původní buňky vznikají dvě dceřiné buňky. Každá z nich má ve svém
jádru opět 46 molekul DNA, které jsou zcela identické, jako měla
výchozí buňka na začátku tohoto schématu.
Komplementarita je základním principem
replikace
Replikace DNA vychází z následujících
principů:
1. V původní molekule DNA jsou porušeny
vodíkové můstky.
2. Vznikají tak jednovláknové úseky
molekuly DNA.
3. K těmto jednovláknovým úsekům je na
principu komplementarity syntetizováno
druhé vlákno.
4. Vznikají dvě dceřiné molekuly DNA,
které jsou zcela identické jako původní
molekula.
5. Dceřiné molekuly mají vždy jedno vlákno
pocházející z mateřské molekuly a jedno
vlákno nově syntetizované.
Počátky replikace
• Místa na molekule DNA, kde je zahájena replikace DNA se označují jako
místa ori.
• U prokaryot je v jednom nukleoidu pouze jedno ori místo.
• U eukaryot je na jedné molekule DNA velké množství ori míst.
• V ori místě se vytvářejí dvě replikační vidličky.
Enzymy účastnící se replikace
Replikace DNA je složitý proces, kterého se účastní řada enzymů. Mezi
nejdůležitější patří:
1. Gyrázy a helikázy rozvolňující dvouřetězcovou strukturu DNA.
2. Primáza vytvářející RNA primery s hydroxylovou skupinou na 3´konci.
3. DNA polymerázy
komplementarity.
provádějící
zabudování
nukleotidů
na
4. Ligázy propojující Okazakiho fragmenty.
5. Telomerázy zajišťují správnou replikaci konců molekul DNA.
Funkce enzymů při replikaci bude vysvětlena na následujícím schématu.
principu
Schéma replikace
gyrázy a helikázy
DNA polymeráza
vedoucí vlákno
DNA polymerázaligáza
replikační vidlička
primáza
původní
molekula DNA
Okazakiho
DNA polymeráza
fragment
opožďující se vlákno
Struktura molekuly RNA
• RNA nevytváří
dvoušroubovicovou
strukturu.
• Cukernou složkou jsou
molekuly ribózy.
• Báze thymin typická pro
DNA je nahrazena
uracilem.
Transkripce
• Transkripce je proces vedoucí ke vzniku molekul RNA na základě sekvence molekul
DNA.
• Transkripce jaderné DNA probíhá v jádře. Vzniklé molekuly RNA jsou následně
transportovány jadernými póry do cytoplazmy.
• Transkripce je realizována enzymy RNA polymerázami, které pracují rovněž na
principu komplementarity.
• RNA polymeráza dokáže v molekule DNA identifikovat začátek genu – promotor a
vytvoří přepis genu až do jeho konce – terminátoru.
RNA polymeráza
DNA
vznikající
molekula RNA
přepisované
vlákno DNA
Typy molekul RNA
Z hlediska funkce rozeznáváme následující typy molekul RNA:
1. mRNA (messenger) určuje pořadí aminokyselin v polypeptidovém
řetězci.
2. tRNA (transfer) zajišťuje dopravení správných aminokyselin do
vznikajícího řetězce.
3. rRNA (ribosom) je součástí ribozómů.
tRNA
•
tRNA má strukturu jetelové trojlístku.
•
Jejím úkolem je transportovat správné aminokyseliny do ribozómu při translaci.
•
Pro translaci má význam antikodónová smyčka nesoucí tři nukleotidy nazývané antikodón.
•
Antikodón vykazuje komplementaritu ke trojici nukleotidů na molekule mRNA, která se
označuje jako kodón.
antikodón
místo pro navázání aminokyseliny
valin
aminokyselina
rRNA a ribozómy
•
Existuje několik typů rRNA, které spolu s proteiny vytváří ribozómy.
•
Funkční ribozóm je tvořen velkou a malou podjednotkou.
•
Ribozómy se nacházejí volně v cytoplazmě nebo jsou přichyceny na endoplazmatické
retikulum.
•
Na ribozómech probíhá translace – poslední etapa proteosyntézy.
aminokyseliny
vznikající polypeptid
ribozóm
tRNA
velká
podjednotka
malá
podjednotka
mRNA
prostorové modely
ribozómů
ribozómy v elektronovém mikroskopu
Translace
• Translace je poslední fází proteosyntézy.
• Translací se rozumí překlad informací v molekule mRNA do pořadí
aminokyselin v polypeptidovém řetězci.
• Translace probíhá na ribozómech.
• Translace se účastní obě podjednotky ribozómů, mRNA, tRNA,
aminokyseliny a řada enzymů.
• Trojice bází (triplet) na molekule RNA vytváří kodón, který rozhoduje o
zařazení konkrétní aminokyseliny do polypeptidu.
• Kodón je komplementární k antikodónu na molekule tRNA, které předává
správnou aminokyselinu do ribozómu.
• V ribozómu vzniká
aminokyselinami.
peptidické
vazba
mezi
dvěma
Schéma translace bude popsáno na následujícím schématu.
sousedními
Schéma translace
prodlužující se
polypeptidový řetězec
tRNA nesoucí prolin
uvolněná tRNA
antikodóny
mRNA
podjednotky
ribozómu
směr translace
kodóny
Genetický kód
• Genetický kód zjednodušeně představuje tabulku tripletů, podle kterých ribozóm
dešifruje informaci v molekule mRNA a překládá jí do pořadí aminokyselin v
tvořícím se polypeptidovém řetězci.
Z tabulky genetického kódu vyplývají jeho vlastnosti:
1. Je tripletový – zabudování jedné aminokyseliny je
řízeno trojicí bází neboli tripletem.
2. Je univerzální – pro všechny jaderné eukaryontní
geny platí tento princip kódování aminokyselin.
3. Je nepřekrývavý – triplety jsou na mRNA překládány
jeden za druhým.
4. Je degenerovaný – existují aminokyseliny, které jsou
kódovány více než jedním tripletem.