Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární.

Prezentace na téma: "Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární."— Transkript prezentace:

1 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární a buněčné biologie Investice do rozvoje vzdělávání Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 Investice do rozvoje vzdělávání Předmět: KBB/BB1P Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

3 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Od DNA k proteinům a degradace proteinů Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání „Circulus vitiosus“ Boris Cvek

4 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Cíl přednášky: Seznámit posluchače s základními principy proteosyntézy a proteolýzy v buňce. Klíčová slova: DNA, replikace, transkripce, translace, ribozom, RNA svět, proteazom, ubikvitinace

5 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Molecular Biology of the Cell Fifth Edition Molecular Biology of the Cell Fifth Edition Alberts Johnson Lewis Raff Roberts Walter Obrázky v následující prezentaci jsou převzaty z níže uvedené knihy výlučně k výukovým účelům. The illustrations in following lecture are taken from Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, 5th Edition (Garland Science 2008) only and exclusively for the educational purposes. Copyright © Garland Science 2008

6 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Dědičnost buňka nesyntetizuje proteiny, které ji tvoří a zároveň obsluhují, náhodně, nýbrž dělá to na základě určité informace, jejíž přítomnost je patrná při porovnání buňky s její buňkou dceřinou: dědičnost jako přenos určité informace z rodičů na děti je zásadní vlastnost života na počátku minulého století bylo zjištěno, že tato informace je uložena v buněčném jádře, v nitkovitých útvarech, jimž se říká chromozomy v roce 1944 přidání purifikované DNA k bakteriím mělo za následek dědičnou změnu jejich vlastností všechny pochybnosti o tom, že dědičná informace je uložena v DNA, utichly až po objevení její detailní struktury

7 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Struktura DNA objev struktury DeoxyriboNukleové kyseliny (Acid) umožnil chemicky popsat a pochopit dědičnost i proteosyntézu v půlce minulého století byla DNA podrobena analýze rentgenovými paprsky (rentgenová difrakce), pomocí níž je možno přesně zjistit polohy a vazby jednotlivých atomů v molekule – výsledkem byl objev, že DNA je tvořena dvěma vlákny stočenými do dvoušroubovice na základě těchto zjištění Francis Crick sestavil v roce 1953 strukturní model DNA, jak ho známe dnes vlákna DNA jsou tvořena nukleotidy (opakování) a jsou navzájem spojena vodíkovými můstky (také opakování)

8 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání wikipedie

9 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

10 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Komplementarita báze (A-T, C-G) se mohou ve dvoušroubovici párovat pouze za předpokladu, že jsou oba řetězce vůči sobě antiparalelní (polarita jednoho řetězce je opačná než u řetězce druhého) jeden řetězec ve dvoušroubovici obsahuje báze přesně v tom pořadí, jak to odpovídá (aby se vždy adenin spojil s thyminem a cytosin s guaninem) řetězci druhému: sekvence nukleotidů v jednom řetězci je přesně komplementární k sekvenci nukleotidů v druhém řetězci v pořadí bazí je uložena informace, jež umožňuje dědičnost, a nazývá se genetická informace (= překládaná nakonec až do aminokyselinové sekvence bílkovin)

11 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Genom kompletní genetická informace organismu se nazývá genom (toto slovo se používá i pro DNA, která tuto informaci kóduje) typická lidská buňka obsahuje DNA o délce přibližně jeden metr (3 miliardy nukleotidů) během buněčného dělení musí buňka zkopírovat celý svůj genom, aby obě dceřinné buňky nesly stejnou informaci (struktura DNA vysvětluje, jak dochází k jejímu kopírování)

12 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

13 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Replikace komplementarita obou vláken umožňuje to, aby každé z nich mohlo sloužit jako předloha (matrice, templát) pro syntézu vlákna druhého replikací DNA vznikají z jedné dvoušroubovice dvě dvoušroubovice, z jedné molekuly DNA dvě molekuly DNA

14 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání DNA je pasivní molekula v určitých místech DNA tvořených specifickými sekvencemi nukleotidů (vysoký obsah adeninu a thyminu, které lze snadno rozpojit – tvoří totiž pouze dva vodíkové můstky) se DNA vlivem iniciačních proteinů rozdělí na dva řetězce a vznikne tzv. replikační počátek proteiny replikačního aparátu (např. DNA- polymeráza) provádějí replikaci DNA v místě tzv. replikační vidličky DNA je tedy pasivní molekula, kterou „hýbají“ a „obsluhují“ ji a rozhodují o ní proteiny

15 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

16 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Mechanismus replikace DNA-polymeráza umí přidávat nukleotidy na 3´ konec rostoucího vlákna, čili vlákno syntetizované podle templátu 3´→ 5´roste kontinuálně, naopak v opačném směru se tvoří tzv. Okazakiho fragmenty, které se následně spojují. kontinuálně rostoucí vlákno se nazývá vedoucí a fragmentárně rostoucí vlákno se nazývá váznoucí DNA-polymeráza také není schopna spojit dva volné nukleotidy, musí vycházet už z existujícího „vlákénka“, které se nazývá primer (je to malá molekula RNA, určená po skončení replikace k degradaci) – enzym primery syntetizující je primáza

17 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

18 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Oprava chyb a mutace DNA-polymeráza vždy před přidáním nového nukleotidu zkontroluje, zda se předchozí nukleotid správně páruje (darwinismus vede k zdánlivé teleologii) přesto se dopouští asi jedné chyby na deset milionů zreplikovaných párů, tyto chyby bývají pak opravovány jinými enzymy (stejně jako chyby vzniklé při různém poškozování DNA – např. mutageneze při kouření) trvalé chyby (mutace) mění genetickou informaci, což může vést v krátké době např. k rakovině nebo v dlouhé době k vývoji nového biologického druhu rozmanitost života vzešla z mutací, poskytujících výhodu v selekčním boji o přežití

19 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání mutagen z cigaretového kouře, benzo[a]pyren, navázený v molekule DNA wikipedie

20 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Transkripce při transkripci (přepisu) se k dané části vlákna DNA (gen, který má být přepisován) syntetizuje komplementární vlákno RNA, tzv. messenger RNA (mRNA) opakování: rozdíly mezi DNA a RNA během transkripce (prováděné v eukaryotech RNA- polymerázou II) se DNA uzavírá po přepisu zpátky do dvoušroubovice a mRNA se od ní odděluje RNA-polymeráza II postrádá sebeopravnou funkci (proč chyba v přepisu nemá fatální vliv na buňku jako má naopak chyba v replikaci?) transkripce začíná na místě DNA, které je promotorem k danému genu (kódujícího určitý protein)

21 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

22 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Posttranskripční úpravy u eukaryot transkripcí vzniká primární transkript, na jehož 5´ konec je přidána tzv. čepička a na 3´ konec několik stovek nukleotidů dlouhý řetězec adeninů (polyadenylace) primární transkript obsahuje mnoho sekvencí, které nekódují žádný protein (introny), po transkripci jsou všechny tyto úseky vystříhány (sestřih RNA) a všechny kódující (exony) spojeny do jednoho řetězce mRNA, který je pak přepraven z jádra do cytoplazmy po sestřihu zůstává asi 5% primárního transkriptu ačkoli molekuly mRNA mohou být opakovaně použity pro syntézu proteinů, dříve nebo později je každá molekula mRNA v buňce degradována zpátky na nukleotidy

23 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Translace trojice nukleotidů v mRNA odpovídá jedné konkrétní aminokyselině, čili je možné přeložit (translace) pořadí nukleotidů v mRNA do pořadí aminokyselin v proteinu trojice nukleotidů v mRNA odpovídá jedné konkrétní aminokyselině, čili je možné přeložit (translace) pořadí nukleotidů v mRNA do pořadí aminokyselin v proteinu taková trojice nukleotidů v mRNA se nazývá kodon – každý kodon určuje tedy jednu aminokyselinu taková trojice nukleotidů v mRNA se nazývá kodon – každý kodon určuje tedy jednu aminokyselinu pravidla, podle nichž se mRNA překládá do proteinu, se nazývají genetický kód pravidla, podle nichž se mRNA překládá do proteinu, se nazývají genetický kód

24 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Čtecí rámce a tRNA při translaci je nukleotidová sekvence čtena od 5´ konce po trojicích nukleotidů táž mRNA by v principu mohla kódovat tři různé proteiny, protože může být čtena ve třech čtecích rámcích (v závislosti na tom, u jakého nukleotidu se začne) – ve skutečnosti (u eukaryot) jen jeden čtecí rámec kóduje reálný protein princip překladu spočívá v tom, že molekula tzv. transferové RNA (tRNA) se na svém jednom konci váže k mRNA (ke kodonu antikodonem) a na svém druhém konci nese aminokyselinu, kódovanou daným kodonem, na němž je tRNA navázána

25 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

26 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

27 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Mechanismus translace translace se děje na ribozomech či polyribozomech (kdy se na překladu dané mRNA účastní více ribozomů) ribozomy jsou složeny z proteinů a ribozomální RNA (rRNA), přičemž se dělí do dvou podjednotek malá podjednotka zodpovídá za nasednutí tRNA na kodony mRNA, velká podjednotka katalyzuje vznik peptidové vazby mezi aminokyselinou na tRNA a zbytkem proteinového řetězce za navázání správné aminokyseliny na tRNA odpovídají aminoacyl-tRNA-syntetázy translace probíhá ve třech základních krocích, jež jsou shrnuty na následujícím obrázku

28 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

29 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání RNA svět výrazná rozdílnost mezi klíčovými rolemi na jedné straně proteinů a na druhé straně DNA vedla k „vejce-slepice“ otázce, zda život začal ve formě proteinů, nebo ve formě DNA otázka zjevně neměla řešení, protože proteiny vznikají na základě DNA a DNA naopak je příliš pasivní na to, aby se mohla přepsat sama s objevem katalytických schopností některých RNA molekul (ribozymů) se zdá pravděpodobné, že život na začátku byly molekuly RNA, které byly schopny jak uchovat genetickou informaci, tak ji samy dále přepisovat této, zatím hypotetické, fázi evoluce se říká RNA svět

30 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Degradace proteinů - historie v 70. letech minulého století si izraelští vědci Avram Hershko a Aaron Ciechanover položili tehdy zcela ojedinělou otázku: jak jsou proteiny v buňce degradovány? různé proteiny mají různou dobu života v buňce, mnohé proteiny se stávají poškozenými či přímo škodlivými, a proto musejí být degradovány Hershko a Ciechanover s přispěním Američana Irwina Rose a později i s americkými vědci kolem Alexandra Varshavského (C. Pickart, D. Finley, M. Hochstrasser, R. J. Deshaies…) postupně zjistili, že degradace proteinů je sofistikovaný děj, jehož intelektuální krása je srovnatelná s proteosyntézou v roce 2004 Hershko, Ciechanover a Rose obdrželi Nobelovu v oboru fyziologie a medicíny

31 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Proteazom asi 90% odbourávaných proteinů je odbouráváno velkým komplexem proteinů, jemuž se říká proteazom běžný proteazom, přítomný v našich buňkách, je tzv. 26S proteazom, který se skládá z 20S proteazomu (forma proteazomu přítomná v baktériích, ale v menší míře i u nás) a z báze a z víka 20S proteasom je válec, v němž jsou přítomny proteázy, které štěpí proteiny na malé fragmenty. Na obou koncích tohoto válce jsou pak báze, umožňující proteinům vstup dovnitř, a na obou bázích jsou nakonec víka, která vážou a rozmotávají proteiny před jejich vstupem do báze většina proteinů musí být před degradací v proteazomu označena řetězcem ubikvitinů

32 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

33 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Ubikvitin název tohoto proteinu říká, že se nachází všude ubikvitin je malý protein (76 AA), který byl objeven v roce 1975, aniž by se vědělo, jaká je jeho funkce dnes je zřejmé, že různé monoubikvitinace nebo polyubikvitinace představují vedle fosforylace nejčastější posttranslační modifikaci proteinů v buňce ubikvitiny se mohou vázat do řetězců různým způsobem, nejčastěji přes lysin 48 (tzv. K48 řetězce) nebo přes lysin 63 (tzv. K63 řetězce) původně: jen proteiny označené K48 řetězcem skončí v proteazomu, podle nedávných výzkumů se však zdá, že to platí i pro některé K63 řetězci značené proteiny

34 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Schematicky vyjádřený rozdíl mezi K48 a K63 řetězci. K48 řetězce nahoře (žlutý trojúhelníček = ubikvitin) K63 řetězec dole

35 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Ubikvitinace polyubikvitinace proteinů (omezíme se na označení proteinů K48 řetězcem) je velice složitý a koordinovaný proces ubikvitin musí být nejprve aktivován enzymem označovaným E1 (čili vznikne vazba E1-Ub), potom přenesen na ubikvitin- konjugující enzym (označovaný E2) a nakonec na některou z ubikvitin ligáz E3, která ho přenáší na konkrétní protein E1 enzymy jsou v lidské buňce 2 (ještě v roce 2007 se mělo za to, že pouze jeden), enzymů E2 jsou desítky a enzymů E3, jež tvoří specifické komplexy s proteiny, které ubikvitinují, jsou stovky a často představují multiproteinové komplexy vedle těchto ubikvitinačních enzymů existuje ještě celá plejáda enzymů deubikvitinačních (tzv. DUB)

36 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání

37 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Rozpletení, deubikvitinace, degradace je-li protein ubikvitinován (K48) a srazí se s proteazomem, nejprve se polyubikvitinovým řetězcem zachytne o víko proteazomu a je pomocí báze a víka pomalu rozplétán do své primární struktury aby ovšem mohl vstoupit do proteazomu, musí být zbaven polyubikvitinové značky, a ta je pak recyklována (tuto činnost provádí speciální podjednotka víka, nazývaná Poh 1) protein vstupuje do proteazomu jako jedno vlákno aminokyselin a je postupně rozstříhán na fragmenty, které jsou buď recyklovány nebo vyvěšeny na membráně jako antigeny někdy degradace části mnohaproteinového celku může vést k jeho aktivaci (např. jaderný faktor-kappaB).

38 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Inhibitory proteazomu proteazom hraje klíčovou roli v životě buňky a poruchy degradace proteinů jsou spojeny s různými onemocněními, zejména mozku dodnes jsme teprve na počátku v porozumění souvislostem mezi různými buněčnými ději a proteazomem, ubikvitinací či jinými tzv. „ubikvitinu-podobnými“ proteiny na druhou se zcela nedávno (1995-dnes) ukázalo a stále více se ukazuje, že zablokování proteazomů v rakovinných buňkách (ne ve zdravých!) vede k jejich umírání dnes už existuje v klinické léčbě některých krevních rakovin (mnohočetný myelom na prvním místě) lék, fungující jako inhibitor proteazomů (látka bortezomib, lék Velcade)

39 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Investice do rozvoje vzdělávání Podrobněji se zmíním o „příběhu“ bortezomibu a jeho různých překvapivých důsledcích v poslední přednášce tohoto semestru.