Úvod do studia biologie Základy molekulární genetiky Katedra biologie PdF MU, 2011 Fig13_02_eukaryotic Molekulární genetika •- podobor genetiky (genetika je obecnější) • •Genetika: • •- nauka o dědičnosti a proměnlivosti • •- „věda 20. století“ • •Johann Gregor (Jan Řehoř) Mendel • •- zakladatel genetiky • •- své objevy uskutečnil v augustiniánském klášteru na Starém Brně • •- hypotéza: Při křížení rostlin se znaky rodičů přenášejí na potomky • prostřednictvím jednotek dědičnosti, které se při tvorbě • pohlavních buněk rozdělují a při oplození opět spojují. • • Spojování jednotek dědičnosti podléhá statistické zákonitosti. • •- experimentální organizmus: hrách setý (Pisum sativum) - různé • odrůdy, lišící se v sedmi párech znaků • •- 1866 - tiskem jeho práce Versuche mit Pflanzenhybriden • (Pokusy s rostlinnými hybridy) J. G. Mendel Molekulární genetika •- vědní obor, zabývající se přenosem genetické informace do dalších generací buněk či organizmů (dědičností) a vyjádřením této genetické informace (její expresí) • • •- genetická informace - představuje většinu vnitřní informace buněk • (většinu buněčné paměti) • • - je zapsána do struktury nukleových kyselin (zejména do DNA - deoxyribonukleová kyselina) • • - stojí na počátku každého živého organizmu • • - určuje budoucí anatomickou stavbu • organizmu, je nepostradatelnou součástí pohlavního i nepohlavního rozmnožování atd. [USEMAP] DNA Molekulární genetika •buněčná paměť: • •paměť (obecně) - schopnost systému • informaci zaznamenat, uchovávat a eventuelně ji předávat • •→ buněčná paměť - schopnost buňky uchovávat • informaci pro svou reprodukci, • růst, zajištění základních • životních funkcí atd. • • - při dělení se informace předává • buňkám dceřiným → dědičnost • •dědičnost - schopnost předávat jistý soubor informací • (zde genetickou informaci) zaznamenaný • do paměti (zde buněčné) ve sledu • po sobě jdoucích generací jak na úrovni buňky, • tak i na úrovni mnohobuněčného organizmu dělení buněk Molekulární genetika •paměťový princip (paměťový systém) buňky: • •- zahrnuje vše co souvisí s buněčnou pamětí, tedy: • • - způsob kódování informace • • - vyzvedávání informace z paměti • • - doplňování informace • • - zdvojení či multiplikaci paměťového záznamu • •- jeden ze tří principů funkční organizace buňky • • - obecné principy, podle kterých jsou • molekuly buňky uspořádány • do funkčně strukturálních celků • • (další jsou membránový a • cytoskeletální princip) • •- paměťový princip je znám nejdéle buňka má paměť chromozomy Molekulární genetika •materiální základ buněčné paměti musí: • •1) mít dostatečně velkou kapacitou • • - zaznamenání všech informací pro základní • funkce buňky • •2) být dlouhodobý • • - pro uchovávání většiny informací po celou • dobu existence buňky • •3) být dostatečně stabilní - aby byly vlastnosti buňky relativně stálé • •4) mít snadnou vybavitelnost - pro lehké vyzvednutí a převedení • informací do konkrétních vlastností buňky • •5) mít schopnost zdvojení - aby obě dceřiné buňky získaly při reprodukci • od mateřské buňky stejnou genetickou • informaci • •6) mít možnost doplňování - pro doplňování vnitřních informací buňky • v průběhu evoluce buněčná paměť Molekulární genetika •materiální základ (médium) buněčné paměti: • •- tento materiální základ v buňce tvoří nukleové kyseliny • • → zejména DNA → nositelka genetické informace • • (výjimka RNA viry - zde RNA) • •- genetická informace - je uložena v sekvenci (pořadí) nukleotidů DNA, • která je během buněčného cyklu duplikována a následně předávána do dceřiných buněk DNA Molekulární genetika DNA (deoxyribonukleová kyselina): - makromolekula, náleží mezi tzv. nukleové kyseliny - má charakter biopolymeru (spolu s bílkovinami a polysacharidy) → složena z velkého počtu monomerů primární struktura DNA: - základní stavební jednotka (monomer) - nukleotid nukleotid: - tvořen spojením organické dusíkaté baze, pentózy (2-deoxy-β-D-ribózy) a kyseliny fosforečné - v DNA čtyři dusíkaté baze: a) puriny - adenin, guanin b) pyrimidiny - cytozin, tymin nukleotid Molekulární genetika primární struktura DNA: - mezi jednotlivými nukleotidy v DNA esterická vazba → polynukleotid - v ose polynukleotidového řetězce se střídá kyselina fosforečná a pentóza → cukr-fosfátová osa molekuly DNA - dusíkaté baze od této osy odstupují primární struktura DNA Molekulární genetika primární struktura DNA: - DNA zpravidla tvořena dvěmi polynukleotidovými řetězci, které probíhají vedle sebe → dvouřetězcová DNA (řetězce navzájem spojeny vodíkovými můstky mezi bazemi → vzájemné párování bazí) - sekvence nukleotidů (bazí) v řetězcích na sobě navzájem závislé - párování purinové s pyrimidinovou bazí - adenin (A) se vždy páruje s tyminem (T) - guanin (G) se vždy páruje s cytozinem (C) → v molekule DNA množství A = T množství C = G - sekvence (pořadí) nukleotidů - představuje genetickou informaci párování bazí ve dvouřetězcové DNA Molekulární genetika sekundární struktura DNA: - dvoušroubovice obou řetězců, které jsou spojeny vodíkovými můstky mezi komplementárními (doplňujícími se) bazemi - může být pravotočivá (častější) nebo levotočivá - sekundární struktura stabilizována hlavně pomocí vodíkových můstků mezi bazemi → jsou ještě další vyšší uspořádání molekuly DNA sekundární struktura DNA Molekulární genetika •chromozomy: • •- buněčné struktury, pomocí nichž je • většina genetické informace • obsažená v buňkách uchovávána a • přenášena do dalších generací • •- základem molekula DNA • •- součástí chromozomů také bílkoviny • • - histonové bílkoviny • • (bílkoviny bazického charakteru) • • - nehistonové bílkoviny • • (bílkoviny kyselého charakteru) • • •- prokaryontní a eukaryontní • chromozomy se liší chromozom DNA je základem chromozomů •prokaryontní chromozom: • •- tvořen jednou kružnicovou molekulou DNA a • proteiny • •- není proti cytoplazmě ohraničen jadernou • membránou • •- připojen k cytoplazmatické membráně • na jednom nebo více místech • •- charakter prokaryontního chromozomu mají • také chromozomy mitochondrií a • chloroplastů eukaryontních buněk bakterie prokaryontní chromozom Molekulární genetika •eukaryontní chromozomy: • •- umístěny vždy v jádru • eukaryontních buněk (tedy i lidských), • které je od cytoplazmy oddělené membránou • •- jejich morfologie pozorovaná v mikroskopu • závisí na tom, v jakém stádiu • buněčného cyklu se buňka nachází • •- chemické složení je obdobné • jako u prokaryontního chromozomu • • - DNA • • - bílkoviny bazického a • kyselého charakteru • • •- každý eukaryontní chromozom • • - jediná lineární molekula DNA Molekulární genetika eukaryontní chromozom eukaryontní chromozomy •molekula RNA: • •- také nukleová kyselina, která je většinou tvořena • jedním polynukleotidovým řetězcem nukleotidů • •- základní stavební jednotka (monomer) - nukleotid • •nukleotid RNA: • •- tvořen spojením organické dusíkaté baze, • pentózy (D-ribózy) • a kyseliny fosforečné • •- dusíkaté baze v RNA: • • a) puriny - guanin (G), adenin (A) • • b) pyrimidiny - cytozin (C), uracil (U) • (místo tyminu v DNA) • •- uracil se váže s adeninem (jako tymin v DNA) • •- tři základní typy RNA: mRNA (mediátorová), • rRNA (ribozomální) • tRNA (transferová) Molekulární genetika DNA RNA RNA DNA rozdíly mezi DNA a RNA DNA i RNA •bílkoviny (proteiny): • •- podílejí se na všech základních • životních procesech • •- funkce: - strukturní • (stavební bílkoviny) • • - metabolická • (enzymy) • • - informační • (signální či transportní proteiny) • •- obdobně jako nukleové kyseliny mají charakter biopolymeru • •- jejich monomery - aminokyseliny (AMK) • •- pořadí (sekvence, sled) AMK - určuje primární strukturu bílkoviny obecná struktura AMK Molekulární genetika •bílkoviny (proteiny): • •- aminokyseliny (AMK): • • - odvozeny od organických karboxylových kyselin, přičemž na • α-uhlík je kromě karboxylové skupiny (-COOH) vždy ještě navázána aminoskupina (-NH2) • • - symbol R označuje postranní řetězec, • v němž se jednotlivé AMK od • sebe navzájem liší • • → na základě charakteru postranních řetězců • řadíme AMK do čtyřech skupin: • • a) s nepolárním postranním řetězcem • • b) s polárním postranním řetězcem • • c) s kyselým postranním řetězcem • • d) s bazickým postranním řetězcem • Molekulární genetika obecná stavba AMK α •bílkoviny (proteiny): • •- aminokyseliny (AMK): • • - v bílkovinách zpravidla 20 AMK • • → dělení na základě • charakteru postranních řetězců • • - označovány pro úspornost • třípísmenným nebo • jednopísmenným kódem • (viz obr. vpravo) • • - příklad: • • alanin = Ala = A • arginin = Arg = R • atd. Molekulární genetika rozdělení AMK do čtyřech skupin na základě charakteru postranních řetězců •bílkoviny (proteiny): • •- primární struktura bílkovin: • • - je dána pořadím AMK v konkrétní molekule • • (podobně jako primární struktura nukleových kyselin • je dána pořadím nukleotidů) • • - AMK jsou navzájem pospojovány • v molekule bílkoviny tzv. peptidovou vazbou • • (vazba mezi aminoskupinou na α-uhlíku jedné AMK a • karboxylovou skupinou sousední AMK) • • - pospojování více AMK za sebou • → peptidový řetězec • • - krátké řetězce tvořené několika či • několika desítkami AMK • → peptidy či oligopeptidy • • - větší počet AMK (řádově stovky) • → bílkoviny (polypeptidy) Molekulární genetika peptidová vazba mezi dvěmi AMK - - vznik dipeptidu •bílkoviny (proteiny): • •- konformace proteinu • • - tvar, který protein zaujímá v prostoru • • → proteiny - fibrilární - jejich polypeptidový řetězec je v postatě • natažen v prostoru • • - globulární - jejich tvar v prostoru se blíží • sférickým útvarům • • - většina enzymů • • Molekulární genetika [USEMAP] příklad globulárního proteinu příklad fibrilárního proteinu různé tvary a struktury proteinů Molekulární genetika •ústřední dogma molekulární biologie: • •- shrnuje procesy, týkající se • přenosu (toku) genetické informace • •- přenos genetické informace je možný • z nukleové kyseliny do nukleové kyseliny • nebo z nukleové kyseliny do proteinu • •- zpětný přenos z proteinu do nukleových kyselin ani přenos z proteinu do proteinu není možný • •- tok genetické informace • mezi DNA a RNA • (nukleovými kyselinami) • je obousměrný • • (formulováno • Francisem H. C. Crickem • v letech 1957-1958) [USEMAP] ústřední dogma molekulární biologie Francis Crick Molekulární genetika •ústřední dogma molekulární biologie: • •- zahrnuje několik dílčích procesů - tři základní jsou: • • a) replikace (zdvojení) genetické informace • • - tvorba kopií molekul DNA v jádru buněk • • - přenos genetické informace z DNA do DNA • • b) transkripce (přepis) genetické informace z DNA do RNA • • - opačný proces (přepis z RNA do DNA) • → zpětná transkripce • • (u retrovirů - RNA viry - např. virus HIV) • • c) translace (překlad) genetické informace • z RNA do primární struktury proteinu • • (překlad z jednoho jazyka do druhého) • • např. morseova abeceda (kód) → • → jednotlivá písmena abecedy · · · / - - - / · · · → S / O / S ústřední dogma molekulární biologie Central_dogma Molekulární genetika •buněčný cyklus: - cyklus, kterým prochází buňka mezi svými děleními • •a) interfáze - období mezi dvěmi následnými mitotickými děleními • • zahrnuje: G1-fázi - probíhá transkripce a translace • • S-fázi - probíhá replikace jaderné DNA (pouze v této fázi) • • G2-fázi - probíhá transkripce a translace • • proteosyntéza - proces vedoucí ke vzniku proteinů • • - zahrnuje transkripci a translaci • •b) M- fáze • • - zahrnuje jaderné dělení (mitózu) a • cytokinezi (vlastní rozdělení buňky • ve dvě dceřiné) • • mitóza - nejčastější typ jaderného dělení • • - neprobíhá transkripce ani translace • • - konvenčně dělena na profázi, • prometafázi, metafázi, • anafázi a telofázi fáze buněčného cyklu •replikace: • •- zdvojení ~ tvorba kopií molekul DNA • •- zdvojení jaderné DNA probíhá v S-fázi buněčného cyklu → → vznik dceřiných molekul DNA • •- dceřiné molekuly DNA si zachovávají • stejnou genetickou informaci • jako původní molekula DNA • • (nemění se primární struktura DNA ~ • ~ pořadí nukleotidů) • •→ tyto replikované molekuly DNA • (nacházející se v chromozomech) • • jsou následně během M-fáze rozděleny • do dceřiných buněk tak, aby obě buňky • získaly kompletní a stejnou genetickou • informaci (chromozomovou sadu) Molekulární genetika replikace •replikace: • •- principem je komplementarita bazí • •- probíhá tzv. semikonzervativním způsobem • • → oba řetězce výchozí molekuly • slouží jako matrice • pro syntézu komplementárních řetězců • • → v obou výsledných molekulách DNA • se zachovává jeden řetězec z výchozí molekuly • •Prokaryonta • • - replikace kruhového chromozomu • •Eukaryonta • • - replikace lineárních chromozomů • • - oproti Prokaryontům je • u nich replikace složitější • Molekulární genetika replikace syntéza komplementárního řetězce DNA •replikace: • •- složitý enzymatický proces • • (účastní se ho celá řada proteinů) • •- na chromozomové DNA • tzv. replikační počátek • (ori sekvence, origin of replication) • • - určité konkrétní místo, • na němž začíná replikace • • - na něj se váže iniciační protein → • → rozvinutí dvoušroubovice DNA • v krátkém úseku → vazba dalších • součástí replikačního aparátu • včetně DNA-polymerázy • •- DNA-polymerázy • • - enzymy, které katalyzují syntézu • komplementárních řetězců DNA Molekulární genetika replikace probíhá na základě komplementarity bazí replikace prostřednictvím DNA-polymerázy Molekulární genetika •transkripce: • •- přepis genetické informace z DNA do RNA • •- probíhá zejména v G1- a G2-fázi buněčného cyklu (růst buňky) • •- proces, při kterém se genetická informace převádí z formy zápisu • v nukleotidové sekvenci určitého typu do formy zápisu v nukleotidové • sekvenci jiného typu (z DNA sekvence do RNA sekvence) • •→ vzniklá RNA sekvence nukleotidů ~ • ~ RNA-transkript • •- obdobně jako replikace založena • na komplementaritě bazí • (místo tyminu v DNA je v RNA uracil) • •- opět složitý enzymatický proces - •- RNA-polymerázy - enzymy, které • katalyzují syntézu RNA • podle matrice DNA transkripce Molekulární genetika •transkripce: • •RNA-polymerázy - umožňují syntézu • všech tří typů RNA • • (mRNA, rRNA i tRNA) • •vznik RNA-transkriptu - zahrnuje tři fáze: • • a) iniciace - navázání RNA-polymerázy • na tzv. promotor a • zahájení transkripce • • (promotor ~ nukleotidová sekvence na DNA, • která určuje počátek transkripce) • • b) elongace - připojování RNA nukleotidů k vznikající molekule RNA • • (samotná syntéza molekuly RNA se děje díky polymeraci) • • c) terminace - zastavení syntézy RNA molekuly na tzv. terminátoru • • (terminátor ~ nukleotidová sekvence na DNA, • která určuje konec transkripce) transkripce Molekulární genetika •transkripce: • •DNA - tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci • • - jako matrice pro přepis do RNA slouží • tzv. nekódující (templátové) vlákno DNA • • → vznikající molekula RNA má tedy • stejnou nukleotidovou sekvenci • jako druhé - kódující vlákno DNA • • (místo tyminu je v RNA nicméně uracil) • •- ve srovnání s Prokaryonty • je transkripce u Eukaryont složitější transkripce transkripce transkripce Molekulární genetika •transkripce: • •→ vznik tří základních typů molekul RNA: • •mRNA - její sekvence nukleotidů se překládá • do aminokyselinové sekvence proteinů • •rRNA - tvoří základní složku ribozomů • •tRNA - při syntéze proteinů • přenáší aminokyseliny do ribozomu • •→ postranskripční úpravy • • - například: • • u Eukaryont se ze sekvence mRNA • vyštěpují tzv. introny (úseky, které se • nepřekládají do sekvence aminokyselin) • • → v transkriptu zůstanou pouze • kódující oblasti - tzv. exony • • → překlad do aminokyselinové • sekvence proteinu při translaci figure 11-04a figure 11-04b kódující a nekódující oblasti v DNA Molekulární genetika •translace: • •- překlad genetické informace z mRNA • do primární struktury proteinu (do AMK sekvence) • •- probíhá v cytoplazmě buněk na ribozomech • •- ribozomy - buněčné struktury, které jsou tvořeny • molekulami rRNA a bílkovin • (nejsou to organely, neboť nemají membránu) • • - mohou být v cytoplazmě loženy volně, nebo • jsou navázány na membránu • endoplazmatického retikula • • - poměrně početné, v buňce řádově okolo • 10 000 - 100 000 ribozomů ústřední dogma molekulární biologie ribozom Molekulární genetika •translace: • •- probíhá podobně jako transkripce zejména • v G1- a G2-fázi buněčného cyklu (růst buňky) • •- částečně odlišná u Prokaryont a Eukaryont • •- účastní se jí řada enzymů a • dalších pomocných faktorů • •- přenos AMK na ribozom při syntéze proteinů • zajišťuje tRNA díky párování bazí s mRNA • pomocí tzv. antikodonu (trojice nukleotidů, • která je komplementární ke kodonu na mRNA) • • - viz dále • •- správné řazení AMK do bílkovinného řetězce • při syntéze proteinu umožňuje • tzv. genetický kód schéma translace tRNA Molekulární genetika •translace: • •- genetický kód: • • - každá AMK je kódována jednou nebo více • kombinacemi tří nukleotidů • (tzv. triplety ~ kodony) na molekule mRNA • • → pořadí nukleotidů na mRNA určuje pořadí • AMK v budoucí molekule proteinu • • - v genetickém kódu se také vyskytují: • • a) jeden iniciační kodon (AUG) • • - pokud se vyskytne v sekvenci • molekuly mRNA, značí • zahájení translace • • b) tři stop kodony (UAA, UAG, UGA) • • - pokud se vyskytnou v sekvenci • molekuly mRNA, značí • ukončení translace genetický kód od DNA k proteinu Molekulární genetika •translace: • •- genetický kód: • • - také označován jako univerzální, neboť je v drtivé většině • stejný pro všechny organizmy - jak Prokaryonta, tak i Eukaryonta • • • - je degenerovaný - jedna AMK kódována více triplety • • (64 možných tripletů, aminokyselin pouze 20) • • •- polyribozom (polyzom): • • - na jednu molekulu mRNA je současně • připojeno více ribozomů, • které vytvářejí jakýsi „řetízek“ • • → jedna molekula mRNA → • → několik molekul proteinu • polyribozom Molekulární genetika •translace: • •- jako u transkripce rozlišujeme tři fáze: • • a) iniciace • • - zahájení translace, • vznik tzv. iniciačního komplexu • • (iniciační komplex - z ribozomu, mRNA a • iniciační tRNA) • • b) elongace • • - prodlužování peptidového řetězce • • (vznik peptidových vazeb mezi příslušnými AMK) • • c) terminace - zakončení syntézy peptidového řetězce, které je signalizováno některým ze stop kodonů na mRNA • • → uvolnění bílkoviny z ribozomu → posttranslační úpravy bílkoviny → • → funkční bílkovina (enzym…) → • → projev do určitého znaku ~ vlastnosti organizmu syntéza bílkoviny Molekulární genetika • gen DNA RNA protein znak exprese genetické informace exprese genetické informace u proteinu nekončí Molekulární genetika Molekulární genetika •literatura: • •Rosypal S.: • Úvod do molekulární biologie. • - 4 dílná skripta, čtvrté vydání • (pro Přírodovědeckou fakultu) • •Alberts et al.: • Základy buněčné biologie: Úvod do molekulární • biologie buňky. ESPERO Publishing, s.r.o. 2005. • •Nečas O. et al.: Obecná biologie pro lékařské fakulty. • 3. přepracované vydání. Jinočany. H+H. 2000. • •Snustad, D. P., Simmons M. J.: • Genetika. Masarykova univerzita. 2009. • Úvod do molekulární biologie Základy buněčné biologie Zavřít okno obecná biologie_0 •http://www.encyclopedia.com/video/zdDkiRw1PdU-dna-replication-animation-by-interact.aspx •- replikace • •http://www.aldebaran.cz/bulletin/2010_15/bio_orig.swf •- replikace • •http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/meselson.html •- důkaz semikonzervativního způsobu replikace • •http://www.encyclopedia.com/video/WgvnFYyJGZQ-dna-transcription-animation-by-interact.aspx •- transkripce • •http://www.encyclopedia.com/video/ztPkv7wc3yU-transcrition.aspx •- transkripce • •http://www.encyclopedia.com/video/_6Rrymt6XwI-dna-translation-animation-by-interact.aspx •- translace • •http://www.encyclopedia.com/video/983lhh20rGY-dna-transcription-protein-assembly.aspx •- translace Molekulární genetika - animace Děkuji za pozornost Marek David david@ped.muni.cz GP central_NEW_dogma