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 Molekulární genetika ›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 •eukaryontní chromozom •eukaryontní chromozomy Molekulární genetika ›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) • • • • •DNA •RNA •RNA •DNA •rozdíly mezi DNA a RNA •DNA i RNA Molekulární genetika ›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 › •obecná stavba AMK • • •α • • Molekulární genetika ›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. •rozdělení AMK do čtyřech skupin •na základě charakteru postranních řetězců Molekulární genetika ›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) •peptidová vazba mezi dvěmi AMK - •- vznik dipeptidu Molekulární genetika ›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 › › [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 Molekulární genetika ›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) •replikace Molekulární genetika ›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 › •replikace •syntéza komplementárního řetězce DNA Molekulární genetika ›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 •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