1. 1.Molekulární podstata dědičnosti

Čtyři hlavní skupiny organických molekul v buňkách

Zápis genetické informace Genetická informace je v buňkách zapsána v podobě molekul nukleových kyselin (DNA, RNA). Přenos genetické informace do nových buněk spojený se zdvojováním molekul DNA se nazývá replikace. Genetická informace v molekule DNA je přepisována do molekuly RNA (transkripce) a ta je následně překládána (translace) do sekvence aminokyselin tvořících polypeptidový řetězec.

Základní dogma molekulární genetiky Základní dogma molekulární genetiky v sobě zahrnuje procesy, které pracují s molekulami nukleových kyselin v buňce: 1.Replikace = zdvojování molekul DNA 2.Transkripce = přepis DNA – RNA 3.Translace = překlad RNA - polypeptid

Schéma základního dogmatu molekulární genetiky

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 dvou- šroubovicové struktury DNA Využití poznatků metody krystalografie s X-zářením, které prováděla Franklinová v roce Model pravotočivé dvoušroubovice (alfa-helix), který navrhli Watson, Crick a Wilkins v roce 1953.

J. D. Watson a F. H. C. Crick v roce 1953

Struktura DNA Báze molekuly DNA jsou dusíkaté heterocyklické sloučeniny. Purinové báze: adenin, guanin Pyrimidinové báze: cytosin, thymin

Komplemetarita bází dvoušroubovice DNA

Strukura DNA Každé vlákno lineární molekuly má konec 5´ a 3´. Označení vyplývá z číslování atomů uhlíku 2-deoxyribózy. Vlákna jsou orientována antiparalelně.

Různé způsoby lineárního zakódování informace

Molekulárněgenetická definice genu Termínem gen se rozumí úsek molekuly DNA, která kóduje syntézu určitého polypeptidového řetězce.

Každý gen obsahuje informaci pro tvorbu proteinu zjednodušené schéma

Prokaryotické a eukaryotické geny Pro eukaryotní geny je charakteristický výskyt kódujících oblastí (exony) a nekódujících oblastí (introny).

Replikace DNA DNA funguje jako templát pro vlastní duplikaci.

Semikonzervativní replikace DNA Dceřiné molekuly DNA jsou vždy tvořeny jedním vláknem původním a jedním vláknem nově syntetizovaným. Hovoříme pak o semikonzervativní replikaci DNA.

Replikační vidlička Oblast, kde dochází k oddělení vláken původní dvoušroubovice a k zahájení replikace, je označováno jako replikační vidlička. Místo zahájení replikace je označováno jako místo Ori. U prokaryt existuje pouze jedno místo Ori, u eukaryot je jich větší počet.

Semidiskontinuita replikace DNA Tvorba nového řetězce probíhá vždy ve směru 5´-3´. Podle původního vlákna s orientací 3´-5´ probíhá replikace spojitě – hovoříme o vedoucím vláknu. Podle druhého původního vlákna s původní orientací 5´-3´ probíhá replikace po krátkých úsecích, které se nazývají Okazakiho fragmenty. Tyto fragmenty se následně propojí a dají vznik takzvanému váznoucímu neboli opožďujícímu se vláknu.

Asymetričnost replikační vidličky

Proteiny v replikační vidličce Rozvolnění původní dvoušroubovice zajišťují helikázy a gyrázy. Tvorba Okazakiho fragmentu je zahájena enzymem primáza, který vytváří krátký úsek DNA-RNA. Vlastní replikaci obou řetězců realizují enzymy DNA- polymerázy. Propojení Okazakiho fragmentů provádějí DNA- ligázy. Zakončení replikace lineární dvoušroubovice zajišťují enzymy telomerázy.

Detailní schéma replikační vidličky

Replikační chyby Během replikace DNA může docházet k chybnému zabudování bází. Replikační mechanismus DNA-polymeráz má aktivitu, která tyto chyby dokáže opravit – reparovat. Neopravené chyby se tudíž vyskytují s velice nízkou četností a jsou podstatou takzvaných bodových mutací.

Od DNA k proteinu

Transkripce Proces vzniku molekul RNA je označován jako přepis neboli transkripce. transkripce v elektronovém mikroskopu

Struktura molekuly RNA RNA nevytváří dvoušroubovicovou strukturu. Cukernou složkou jsou molekuly ribózy. Báze thymin typická pro DNA je nahrazena uracilem.

V rámci jedné molekuly RNA se často tvoří nukleotidové páry

DNA je transkribována RNA – polymerázou

Posttranskripční úpravy molekul RNA Výsledkem translace je vznik takzvaného primárního transkriptu, který obsahuje přepsané oblasti exonů i intronů. Pro správnou funkci RNA je nutné odstranění nekódujících oblastí (intronů) a propojení kódujících oblastí (exonů). Tento proces je jednou z nejdůležitějších posttranskripčních úprav a je označován jako sestřih.

Typy molekul RNA Z hlediska funkce rozeznáváme následující typy molekul RNA: mRNA (mesenger) určuje pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci. tRNA (transfer) zajišťuje dopravení správných aminokyselin do vznikajícího řetězce. rRNA (ribosom) je součástí ribozómů.

Schéma proteosyntézy

Transport RNA Upravené molekuly mRNA, tRNAa rRNA jsou transportovány z jádra jadernými póry do cytoplazmy, kde probíhá vlastní translace - proteosyntéza řez jádrem jaterní buňky zachycující jaderné póry

Translace molekuly mRNA Translace probíhá v cytoplazmě v organelách ribozómech. Genetická informace je čtena po trojicích bází (kodónech) na mRNA. Správné aminokyseliny jsou zabudovány na základě komplementarity mezi kodónem mRNA a antikodónem tRNA.

Molekula tRNA – struktura jetelového list

Eukaryotní ribozóm

Průběh translace Translace je tvořena fázemi: iniciace elongace polypeptidového řetězce terminace

Proteosyntéza schéma tvorby proteinů v eukaryotické buňce

Genetický kód Vlastnosti genetického kódu: Je tripletový – o zabudování jedné aminokyseliny rozhoduje trojice bází neboli triplet neboli kodón. Je degenerovaný – jedna aminokyselina může být kódována více triplety. Je univerzální – platí pro všechny organismy. Je nepřekrývavý – u eukaryot se triplety překládají v pořadí, jak jsou umístěné za sebou na molekule mRNA.

Regulace exprese genů Exprese genů představuje míru s jakou je vytvářen protein kódovaný studovaným genem. Regulace exprese probíhá na úrovni: 1.transkripce 2.posttranskripčních úprav 3.translace 4.posttranslačních úprav.

Geny mohou být exprimovány s různou účinností