Střední zdravotnická škola, Národní svobody 420 397 11 Písek, příspěvková organizace Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.0580 Číslo DUM: VY_32_INOVACE_MOTYCKOVA_02 Tematická oblast: Biologie - genetika Cílová skupina žáci školy Téma: Molekulární základy dědičnosti Anotace: Syntéza bílkovin, molekulární základy genetiky, DNA, RNA Autor: PaedDr. Erika Motyčková Datum vytvoření: 27.12.2012

Princip syntézy bílkovin ( proteosyntézy ) V jádře - transkripce - vznik m RNA m RNA z jádra do cytoplazmy - seřazeny triplety N bází = kodony - naváže ribozómy  kodon ripletový = trojice nukleotidů (bazí) určuje 1 AK první triplet mRNA = iniciační = začátek syntézy poslední triplet = teminační = ukončení syntézy bíkovin na vlákno m RNA se řadí triplety t RNA = antikodony triplety t RNA se řadí podle příslušné AK AK spojovány peptidovou vazbou Ukončení přepisu = uvolnění bíkoviny

Molekulární základy genetiky Molekulární genetika zkoumá : geny zakódované v nukleových kyselinách DNA ( RNA ) replikaci = zdvojování DNA v buněčném cyklu realizace informací = exprimaci transkripci = přepis DNA do RNA translaci = překlad do proteinů jak jsou tyto fyziologické molekulární procesy řízeny jaké vlivy do nich zasahují rušivě

Charakteristika molekulární genetiky Molekulární genetika je genetika na úrovni molekul Genetická informace = informace pro syntézu bílkovin Proteinová skladba buněk = základ morfologických i funkčních znaků Parametry proteinů jsou řízeny nukleovými kyselinami DNA, RNA Nukleové kyseliny nesou genetické informace

DNA V DNA je informace uložena a kopírována při replikaci při mitóze přenášena do dceřinných buněk při meioze přenášena do pohlavních buněk Jednotkou genetické informace je gen Gen je přesně vymezenou částí makromolekuly DNA Výjimka - ve virech je nositelkou genetické informace RNA  

Struktura DNA

Realizace genetické informace ( exprese genu ) Transkripce translace DNA--------------- RNA ------------- bílkoviny  

Charakteristika DNA DNA = deoxyribonukleová kyselina = nositelka genetické informace = v jádře buňky u eukaryot = v cytoplazmě u prokyryot ( bakterie ) = kóduje a zadává buňkám jejich program = předurčuje vývoj a vlastnosti celého organismu = hlavní složka chromatinu = směs NK + proteinů = 1 makromolekula DNA nese více genů = 1 gen = 1 bíkovina

Charakteristika RNA RNA = ribonukleová kyselina = v jadérku buňky mRNA = messenger RNA – přenos genetické informace z jádra do cytoplazmy = nese informaci o začátku přepisu( iniciaci ), pořadí, počtu AK a ukončení přepisu ( terminaci) tRNA = transferová = přisouvá AK k místu syntézy bílkoviny = tvar trojlístku, na 1 smyčce antikodon =trojice bazí paralelní ke kodonu na mRNA rRNA = ribozomální – funkce při syntéze bílkovin – součást ribozomů

Šroubovice RNA, DNA

Struktura DNA makromolekula - polymer 2 řetězce nukleotidů stočené do spirály dvoušrobovice DNA spojené vodíkovými můstky vodíkové můstky spojují dusíkaté báze základní stavební jednotkou je nukleotid ( 4 typy lišící se bázemi )   Struktura DNA

Nukleotid = dusíkatá báze + cukr + fosfát 1. dusíkaté báze a)– purinová : adenin (A), quanin( G) b)pyrimidinová : cytozin (C), tymin (T) 2. cukr = deoxyribóza = pětiuhlíkatý = 5C 3. fosfát = zbytek kyseliny ortofosforečné  

Dusíkaté báze DNA, RNA

Komplementarita bází Komplemetarita bazí = párování = doplňkovost  A se páruje s T, T - A (vzájemně jsou spojeny dvěma vodíkovými vazbami) G se páruje s C , C - G (vzájemně jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami)

Párování bází A - T

Párování bází G - C

Struktura RNA 1 polynukleotidový řetězec stočený do spirály = jednoduchá šroubovice typy RNA se prostorově od sebe liší základní stavební jednotkou = nukleotid 1. dusíkaté báze = a) purinová : adenin (A), quanin( G) b) pyrimidinová cytozin (C), uracyl ( U ) 2. cukr = ribóza = pětiuhlíkatý = 5C 3. fosfát = zbytek kyseliny ortofosforečné  

Replikace DNA zdvojení existující molekuly DNA = reduplikace = syntéza DNA = vytvoření kopie DNA šíří se oběma směry probíhá v jádře buňky kopírování genetické informace, umožňuje přenos z generace na generaci replikace DNA  následuje dělení buňky začíná na mnoha místech současně (u Eukaryot) Začíná na jednom místě kruhové DNA ( u Prokaryot ) Vzor = matrice pro nová vlákna = mateřská molekula DNA Nová molekula DNA = jeden řetězec z původní DNA + jeden nový syntetizovaný

Replikace DNA

Princip replikace Replikace DNA probíhá z jednoho místa a šíří se oběma směry 3 základní kroky : Iniciace Elongace Terminace

DNA helikáza rozplétá šroubovici oddělení vodíkových můstků Iniciace DNA helikáza rozplétá šroubovici oddělení vodíkových můstků

Elongace přidávání nukleotidů DNA polymeráza syntetizuje komplementární řetězce DNA pracuje jen ve směru 5'—>3',  od pátého uhlíku deoxyribózy. umí připojit nové nukleotidy pouze na 3' uhlík deoxyribózy. DNA polymeráza není schopna replikovat koncové části chromozomů = telomery  replikovaná DNA je kratší Během meiózy se velikost telomer obnovuje pomocí telomeráz Komplementarita N bází při přepisu z DNA do DNA = A - T, T - A, C - G, G - C

Terminace ukončení replikace řetězce nukleotidů se spojují enzymem ligáza vytváři 2 nová vlákna DNA

Příklad 1 komplementarity Máš jedno vlákno DNA , přiřaď k němu komplementární báze druhého vlákna a)AGCTCCTA

Řešení 1 Řešení : T C G A G G A T

Příklad 2 Máš jedno vlákno DNA , přiřaď k němu komplementární báze druhého vlákna DNA b) C C G T A T G

Řešení 2: G G C A T A C

Replikace DNA

Transkripce Na základě jednoho řetězce DNA vytváří vlákno jiné Přepis DNA do některých struktur RNA ( m - RNA, t- RNA, r - RNA ) Transkripce probíhá v jádře podle DNA ( ale i v mitochondriích a chloroplastech ) Tvrzení = proteiny v těle vznikají na základě vzoru zapsaného v genech v DNA. Tyto geny = primární transkript, jsou v procesu transkripce přepsány do RNA, Souhrn všech RNA vznikajících v buňce se nazývá transkriptom Většinou vzniká mRNA Transkripce

Nekódující RNA Někdy vznikají i jiné druhy RNA tzv. nekódující RNA = nekódují proteiny, přesto jsou však nezbytné: rRNA (ribozomální RNA) – stavební funkce v ribozomu (tRNA) tRNA (transferová RNA) – zajišťuje transport aminokyselin k ribozomu miRNA (microRNA) – regulace genové exprese některých genů siRNA (small interfering RNA) – role v procesu RNA interference snRNA (small nuclear RNA) – podílí se na splicingu  

1. Fáze transkripce Dependentní RNA polymeráza - naváže se na oblast DNA = promotor čte matrici DNA ve směru 3´ - 5 ´ (od třetího k pátému uhlíku, na pátém je promotor )

2. Fáze = iniciace - enzym helikáza vlákno DNA rozdělí - odpojení H můstků DNA matrice paměťové vlákno - směr 5´- 3 pracovní vlákno - z něho se syntetizuje RNA´- směr 3´- 5 tvorba vlákna RNA podle komplementarity N bází ve směru 5´- 3´ Páruje se : A - U, G - C, C - G, T - A

iniciace transkripce = počátek přepisu RNA

Princip transkripce = syntéza RNA Tvorba RNA podle matrice DNA = 4 fáze RNA polymeráza naváže promotor Iniciace Elongace Terminace

3. Fáze Elongace přidávání nukleotidů = prodlužování řetězce RNA - RNA polymeráza ( RNAP ) se posunuje podle řetězce DNA a syntetizuje vlákno RNA

Elongace transkripce = prodlužování řetězce RNA

4. Fáze Terminace - ukončení ´transkripce - uvolnění molekuly RNA = otisk části molekuly DNA + nadbytečné části - nutno vystřihnout Sestřih  introny vyjmuty ( nepotřebné úseky RNA ), zůstávají v jádře exony spojeny ( funkční úseky RNA ), podle nich syntéza Bílkovin  spojení vláken DNA po skončení transkripce

Terminace transkripce = ukončení přepisu RNA

Syntéza bílkovin podstatou je sestavení bílkoviny podlé kódu DNA podstatou jsou 2 kroky přepis = transkripce z DNA do RNA překlad = translace a tvorba bílkovin   Transkripce = probíhá v jádře podle DNA ( ale i v mitochondriích a chloroplastech ) Translace = probíhá v cytoplazmě buňky na ribozomech = překlad pořadí nukleotidů do pořadí aminokyselin Aminokyselina = základní stavební jednotka bílkovin

Genetický kód Pravidlo = překlad informace o pořadí nukleotidů v m RNA ( otisk DNA ) do pořadí AK v bílkovinách Pro výstavbu bíkovin využíváno 20 AK m - RNA obsahuje jen 4 nukleotidy  genetický kód je tripletový pro 1 AK existuje více tripletů ( kódována více triplety ) trojice nukleotidů ( triplet ) určuje zařazení v AK existuje 64 tripletů genetický kód je univerzální = využívají ho všechna organismy  

Definice genu Gen = úsek DNA molekuly kódující bílkovinu Svojí primární strukturou (pořadím nukleotidů, resp.tripletů) určuje primární strukturu jiné makromolekuly (polypeptidu, tRNA, rRNA)  

Syntéza bílkovin

Řazení AK podle tripletů kodonu RNA do bílkovinného řetězce

Příklad 1: Máte zadaný úsek vlákna DNA. Dopište k zadanému vláknu komplementární vlákno RNA.   3' C A T T G A G T 5'

Zásady : Přepis z DNA do RNA  k adeninu DNA je komplementární uracyl RNA Přepis provádí enzym DNA dependentní RNA polymerasa čte matrici (vlákno DNA) ve směru 3' → 5', zatímco syntéza RNA řetězce probíhá ve směru 5' → 3'. Geny jsou umístěny na obou vláknech DNA. Z hlediska jednoho přepisovaného genu můžeme vlákna dvoušroubovice DNA rozdělit na kódující ( paměťové ) vlákno a pracovní vlákno.  

Řešení: předpokládáme, že uvedené vlákno je vlákno pracovní  provede se přepis dle komplementarity Výsledek: 3' C A T T G A G T 5' DNA - pracovní vlákno   5' G U A A C U C A 3' mRNA

Zadání 2: Máte zadané paměťové vlákno DNA. Napište sekvenci mRNA, vzniklé transkripcí tohoto genu.   5' C A T T G A G T 3'

Řešení 2 rychlejší vlákno paměťové (má stejnou sekvenci jako mRNA - viz výše), stačí přepsat tuto sekvenci a všechna T nahradit za U. Polarita zůstane zachována (Paměťové vlákno DNA je orientováno stejně jako vzniklé vlákno mRNA). 5' C A U U G A G U 3' mRNA

Řešení 2 složitější Paměťové vlákno má sekvenci jako m RNA  polarizace 5' → 3' nemůže sloužit jako matrice Proto znovu přepis do pracovního vlákna = má sekvenci jako DNA polarizace 3' → 5' slouží jako matrice Trankripce do m RNA polarizace 5' → 3' Výsledek: 5' C A T T G A G T 3' DNA - paměťové vlákno   3' G T A A C T C A 5' DNA - pracovní vlákno 5' C A U U G A G U 3' mRNA

Zdroje :   HANČOVÁ, Hana. Biologie v kostce I: Obecná biologie, mikrobiologie, botanika, mykologie, ekologie, genetika. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1997, 112 s. ISBN 80-720-0059-4. NEČÁSEK, Jan a Ivo CETL. Genetika. Praha, 1979. JELÍNEK, Jan a Vladimír ZICHÁČEK. Biologie pro gymnázia: (teoretická a praktická část). 9. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2007, 575 s., [92] s. barev. obr. příl. ISBN 978-80-7182-213-4. ŠMARDA, Jan. Biologie pro psychology a pedagogy. Vyd. 2. Praha: Portál, 2007, 420 s. ISBN 978-80-7367-343-7. Nový přehled biologie. 1. vyd. Praha: Scientia, 2003, xxii, 797 s. ISBN 80-718-3268-5. Genetika. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2013 [cit. 2013-06-09]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Genetika