Biologie a genetika I.

Genetický aparát buňky DNA = nositelka genetické informace RNA: mRNA = messenger RNA – přenos genetické informace z jádra do cytoplazmy tRNA = transferová – přísun 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

Struktura DNA Watson, Crick 1953: dvoušroubovice = 2 řetězce nukleotidů stočené do spirály Nukleotid: cukr = deoxyriboza (5C) fosfát N baze – purinová : adenin (A), quanin( G) - pyrimidinová : cytozin (C), tymin (T), event. uracil (U) v RNA Komplemetarita bazí, párování vodíkovými můstky A T, C G

Struktura DNA řetězce antiparalelní Struktura RNA jednořetězcová

Struktura DNA

Replikace DNA = zdvojení DNA předchází buněčné dělení Semikonzervativní = ke starému vláknu syntéza nového Replikace začíná na mnoha místech současně (u Eukaryot) Od počátku replikace postup oběma směry – replikační bublina ale vlastní připojování nukleotidů pouze v jednom směru (5´→ 3´)

Replikace = enzymatický proces DNA polymeráza – polymerace + rozpoznání chyb a jejich oprava Další enzymy = rozvíjejí dvoušroubovici a struktury vyšších řádů, spojují fragmenty (ligázy) RNA primer = očko= krátký řetězec ribonukleotidů, k němu připojovány nukleotity dle matrice starého řetězce (DNA polymeráza neumí spojit dva volné nukleotidy, pouze připojovat k již existujícímu řetězci Syntéza vlákna kontinuální ve směru 5´→ 3´, opačné vlákno - syntéza ve formě Okazakiho fragmentů

Centrální dogma molekulární biologie

Exprese genetické informace Transkripce = přepis DNA do mRNA - enzym RNA polymeráza počátek= promotor Stavba eukaryontního genu : exony = kodující části introny = nekodující části Posttranskripční úpravy = vyštěpení intronů z mRNA = splicing a transport upravené mRNA do cytoplazmy na ribozom

Translace = překlad = syntéza polypeptidu dle matrice mRNA probíhá na ribozomech – zde se mRNA napojí ribozom = proteiny + rRNA, ze 2 podjednotek tRNA přináší jednotlivé aminokyseliny k místu syntézy polypeptidu má antikodon = specifický triplet pro určitou AK a komplementární ke kodonu (trojici bazí) na mRNA kam se napojí při napojení dvou tRNA na specifická místa ribozomu – vznik peptidové vazby mezi dvěma aminokyselinami nebo AK a polypeptidem

Vlastnosti genetického kódu Kodon = triplet(trojice bazí) na mRNA kodující 1 aminokyselinu (AK) Genetický kód: tripletový = trojice nukleotidů (bazí) určuje 1 AK degenerovaný pro 1 AK existuje více tripletů čtení je nepřekrývající univerzální iniciační a terminační kodony

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

Ultrastruktura chromozomů: Složení chromatinu: DNA histony = bazické bílkoviny: H1,H2A, H2B,H3,H4 nehistonové bílkoviny = kyselé

Organizace interfázního chromatinu Nukleozom = jádro z oktameru histonů H2A,H2B,H3,H4 obtočené dvoušroubovicí DNA spojka mezi nukleozomy = vlákno DNA, volné nebo asociované s H1 histony (utažení vlákna) řetězec nukleozomů stočen do solenoidu

Další stupně spiralizace = kondenzace chromatinu do chromozomů Solenoidy poskládány do smyček obtáčejících osu z nehistonových bílkovin Další skládání a utažení smyček při přechodu chromozomů z profáze do metafáze= mnohonásobné zkrácení vlákna DNA

Zkrácení v profázi na 1/3000 délky v metafázi na 1/10000 délky celková délka DNA asi 2 m lidské chromozomy obsahují cca 30 000 strukturních genů

metacentrický submetacentrický akrocentrický p telomera centromera satelit sat. stopka (NOR) q chromatidy Chromozom metacentrický submetacentrický akrocentrický p = krátké rameno q = dlouhé rameno NOR = oblast organizátoru jadérka (rRNA geny)

Chromatin Euchromatin Heterochromatin despiralizován v interfázi spiralizován v mitoze obsahuje strukturní geny Heterochromatin repetitivní sekvence,neobsahuje strukturní geny v interfázi poněkud spiralizován – barvitelný

Heterochromatin konstitutivní – stálý -v centromerických oblastech všech chromozomů - heterochromatinové bloky na 1q, 9q, 16q, Yq variabilita heterochromatinových částí fakultativní = strukturně euchromatin, chová se jako heterochromatin = neaktivní Inaktivní X = sex chromatin=Barrovo tělísko =X chromatin jeden ze dvou X chromozomů u samic savců je geneticky inaktivní (= není transkribován) heterochromatin-pozdější replikace v S fázi (inaktivní X na konci S) žena=mozaika buněk s inaktivním otcovským a mateřským X

X inaktivace XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP XM XP

Chromozomy pozorovatelné jen v dělící se buňce U člověka 46 chromozomů = diploidní počet 22 párů autozomů + 1 pár gonozomů XX u ženy XY u muže Homologní chromozomy – původ otcovský a mateřský (původní chromozom spermie a vajíčka) Gamety = haploidní počet

Genetická determinace pohlaví 23,X 23,X 23,Y

Karyotyp ženy 46,XX – G pruhy

Karyotyp muže - 46,XY – G pruhy

Buněčný cyklus interfáze : G1, S, G2 mitoza G1 fáze - nejdelší, variabilní část cyklu syntéza RNA, proteinů, doplnění organel (ribozomů, mitochondrií, ER apod.) syntéza nukleotidů, příprava na replikaci kontrolní bod cyklu pro vstup do S fáze

S fáze - replikace jaderné DNA mimojaderná DNA (=mitochondriální) se replikuje i mimo S fázi G2 fáze - růst buňky, syntéza proteinů, RNA, tvorba buněčných struktur syntéza rychlejší, transkripce pravděpodobně z obou chromatid kontrolní bod cyklu pro vstup do mitozy Mitoza - spiralizace chromozomů, rozpad jaderné membrány, vytvoření mitotického aparátu- rozdělení chromatid, rozdělení jádra Cytokineze – rozdělení buňky

M G1 G2 S

Regulace buněč.cyklu: Signál k dělení přijat receptory na buněč.membráně nebo v cytoplasmě signální molekuly = cytokiny (růstové faktory), hormony Signál předán prostřednictvím kaskády regulačních molekul do nitra buňky až k jaderným genům, které svými produkty přímo aktivují buněčný cyklus

Geny regulující buněčné dělení: Protoonkogeny produkty stimulují buněčné dělení (př. myc, fos, jun aj.) kódují růstové faktory, receptory růstových faktorů, regulační proteiny apod. mutované formy = onkogeny = stálá nebo nadměrná mitotická aktivita

Nádorové supresorové geny produkty inhibují mitotické dělení př. Rb1 gen – mutace u retinoblastomu i jiných tumorů p53 – mutace genu v mnoha nádorech nadřazen dalším genům funkce: zástava cyklu v G1 při poškození DNA a navození reparace nebo apoptózy - programované buněčné smrti

Mitoza = dělení somatických buněk z diploidní buňky mateřské – 2 diploidní buňky dceřinné

profáze interfáze prometafáze Mitoza 2n 2n metafáze telofáze anafáze

Meioza – dělení pohlavních buněk I.Meiotické dělení = heterotypické = vlastní redukční dělení – homologní chromozomy se jednotlivě rozcházejí do dceřinných buněk Z diploidní buňky mateřské – 2 haploidní buňky dceřinné II.Meiotické dělení = homeotypické = ekvační = mitóza – štěpení centromer a rozchod chromatid do dceřinných buněk

n M I = redukční 2n = heterotypické Profáze : leptotene - počátek spiralizace zygotene - párování (synapse homologů) = bivalenty synaptonemální komplex zajištuje párování homologů párování X a Y pouze konci - sexuální váček

pachytene - patrny sesterské chromatidy = tetrády crossing over mezi nesesterskými chromatidami homologních chromozomů = rekombinace otcovského a mateřského chrom.materiálu diplotene - separace bivalentů - spojeny v místě crossing overu = chiasmata diakineze - maximální zkrácení chromozomů - terminalizace chiazmat

Metafáze: orientace párů chromozomů v ekvatoriální rovině, centromery se neštěpí Anafáze: rozchod homologů - náhodný – náhodné kombinace otcovských a mateřských chromozomů Telofáze: haploidní sady na opačných polech Interkineze: bez replikace

M II = homeotypické = n ekvační n = mitotické v metafázi štěpení centromer v anafázi separace chromatid

I. Meiotické dělení profáze leptotene zygotene pachytene diplotene crossing over diakineze anafáze telofáze

II.Meiotické dělení anafáze

anafáze M I telofáze M I Rozchod chromozomů - náhodný z hlediska rodičovského původu

II.Meiotické dělení anafáze telofáze

Spermiogeneza – v době sexuální zralosti spermatogonie Mitotické dělení růst primární spermatocyt M I sekundární spermatocyt meioza M II spermatidy zrání, diferenciace spermie Spermiogeneza – v době sexuální zralosti

Oogeneza – začátek v prenatálním období oogonie Mitotické dělení růst 3.měs.fetál.života dictyotene MI v době porodu primární oocyt M I meioza 1.pol.tělísko Metafáze MII ovulace M II sekundární oocyt 2.pol.tělísko Anafáze,telofáze po oplození Oplození – pronukleus vajíčko dokončí MII- pronukleus zygota Oogeneza – začátek v prenatálním období pokračování v době sexuální dospělosti

Výsledek oogenese z 1 diploidní buňky = 1 vajíčko(většina cytoplasmy) + 2 až 3 pólová tělíska úbytek mnoha buněk: v 5. měsíci fetálního života 7 x 106 buněk v době porodu 2 x 106 buněk v pubertě 20 000 buněk ovuluje 400 buněk dlouhý interval mezi započetím a dokončením meiotického dělení = faktor nondisjunkce , chyby v rozdělování chromozomů u starších žen

Oplození vajíčka v metafázi MII spermie menší, nejsou zásobní látky akrozomální váček - enzymy vaječná b. - zásobní látky pod cytoplazmat.membránou sekreční váčky (kortikální granula) vně zona pellucida

spermie = samčí pronukleus (22 autozomů + 1 gonozom-X nebo Y) vajíčko dokončí MII = samičí pronukleus (22 autozomů+1 gonozom X) fuze haploidních jader = zygota - replikace - mitotické dělení dává vznik populaci buněk budoucího zárodku

Spermiogeneza M I M II 2n n n spermatogonie spermatida primární sekundární spermatocyt spermie

Oogeneza a fertilizace I. meiotické dělení polové tělísko oogonie primární sekundární oocyt n 2n fertilizace a II.meiotické dělení

Genetické důsledky meiozy redukce diploidního počtu chromozomů na haploidní segregace alel v MI , MII náhodný rozchod chromozomů – náhodné kombinace chromozomů v gametách (dle rodičovského původu) zvýšení genetické variability crossing overem (segregující chromozom složen z částí mateřského a otcovského původu)

Chyby v meioze nebo mitoze Nondisjunkce- chybný rozchod chromozomů nebo chromatid –jdou spolu do 1 dceřinné buňky Vzniklé gamety mají navíc chromozom - po oplození je výsledkem trizomie, např Downův syndrom 47,XX nebo XY,+21 nebo gameta nemá žádný chromozom, po oplození je monozomie Opoždění chromozomu v anafázi a nezačlenění do dceřinné buňky – zde pak chybí chromozom – po oplození místo chromozomálního páru je pouze 1 chromozom, např Turnerův sy – monozomie X

Chyby v meioze 46 46 M I 23 24 22 23 M II 23 23 23 23 24 24 22 22 nondisjunkce v M I důsledek: trizomie/monozomie po oplození normální průběh meiozy

46 46 M I 23 22 23 23 (X chrom.) M II 24 22 23 23 22 22 23 22 Opoždění chromozomu v anafázi M I nebo M II Důsledek: monozomie po oplození Nondisjunkce v M II Důsledek: trizomie/monozomie po oplození

46 46 M I 46 23 23 M II 46 46 23 23 46 Chyby v meiose – nondisjunkce celé sady chromozomů (M I nebo M II) Důsledek: neredukovaná gameta, triploidie po oplození

Poruchy oplození oplození 46 69 XX XXY Dispermie- oplození vajíčka 2 spermiemi