Nukleové kyseliny Opakování Prezentace Nukleové kyseliny se zabývá složením DNA a RNA. Opakování

Typy nukleových kyselin deoxyribonukleová (DNA) v buněčném jádře ribonukleová (RNA) v cytoplasmě a v jadérku

DNA

Mezi fosfátovou skupinou na 5. C a -OH skupinou na 3. C na pentose vzniká tzv. fosfodiesterová vazba Na povrchu je NA velmi silně záporně nabitá.

Dusíkaté báze se mohou mezi sebou pomocí vodíkových vazeb párovat

DNA – sekundární struktura 3' 5' DNA – sekundární struktura DNA je stočena do pravotočivé šroubovice, která je stočena ze dvou komplementárních vláken DNA. Řetězce v DNA jsou vůči sobě antiparalelní. Vodíkové vazby a tato zdvojená šroubovice přispívají k co největší stabilizaci molekuly DNA. 5' 3'

Typy DNA B DNA A DNA Z DNA Pravotočivá. Zhruba 10 bází na závit. Báze tvořící pár leží vždy v jedné rovině. Dvoušroubovice DNA má na svém povrchu dva typy žlábků (malý a velký). Pravotočivá. 11 párů bází na závit. Levotočivá. 12 párů bází na závit. Vytváří se, pokud se ve šroubovici objeví pravidelné opakování bází adeninu a thyminu. Typy DNA je možné z učiva středoškolské biochemie vynechat. Prokaryotní DNA i DNA semiautonomních organel (např. mitochondrií) jsou kruhové.

RNA

Toto komplementární párování bází umožňuje zaujmout energeticky nejvýhodnější konformaci

Tvoří jádro ribosomů, na kterých je mRNA překládána do proteinu. Typy RNA tRNA rRNA mRNA (transferová) (ribosomální) (informační, mediatorová) Vybírá správné aminokyseliny a umísťuje je do správného místa na ribosomu, aby mohly být začleněny do rostoucího aminokyselinového řetězce. Tvoří jádro ribosomů, na kterých je mRNA překládána do proteinu. Vzniká přepisem genů kódujících aminokyselinovou sekvenci proteinů a její základní funkcí je řídit vznik proteinu. rRNA a tRNA vznikají přepisem genů nekódujících aminokyselinovou sekvenci proteinu. Jedná se o tzv. neinformační RNA.

Sekundární struktura tRNA

Chromosom Prezentace Chromosom se zabývá uspořádáním DNA v jádře. Obsah této prezentace je nad rámec středoškolského učiva z biochemie.

Chromosom Jádro lidské buňky – průměr cca 5-8 μm DNA – cca 2 m V eukaryotních buňkách – molekuly DNA jsou asociovány se specifickými proteiny a sbaleny do chromosomů. Mitotické chromosomy v době buněčného dělení (v mitose) v kondenzovaném stavu (sbaleném) Interfázové chromosomy značně rozvolněné a vypadají jako jedna dlouhá, tenká, vzájemně propletená vlákna

Interfázový chromosom – Korálková forma chromatinu (10-nm vlákno) Histonový komplex (8 nm) nukleosom Spojníková DNA 10 nm Chromatin – komplex DNA a proteinů Histony – malé proteiny s vysokým obsahem kladně nabitých AMK (lys a arg)

Mitotický chromosom Před vstupem do mitosy dochází k sbalování chromatinu. Chromatin se stáčí za vzniku tzv. solenoidu. Solenoid: 6 nukleosomů na závit 30 nm 30-nm vlákno je organizováno do smyček připojených k centrální ose, tzv. lešení (scaffold). Solenoid se stáčí na chromatidu.

Úsek dvoušroubovice DNA 2 nm Korálková forma chromatinu (10-nm vlákno) 10 nm 30-nm vlákno 30 nm Rozvinutý úsek chromosomu 300 nm Kondenzovaný úsek chromosomu 700 nm Úplný mitotický chromosom 1400 nm

Transkripce (od DNA k RNA)

Transkripce a translace Jestliže buňka potřebuje nějaký konkrétní protein, je nukleotidová sekvence v patřičné oblasti v chromosomu nejprve zkopírována do mRNA. Tato RNA je využívána jako templát (předloha, matrice) pro tvorbu proteinů. Genetická informace je předávána z DNA do RNA procesem zvaným transkripce a následně z RNA do proteinu procesem zvaným translace. transkripce translace DNA mRNA Protein

Transkripce - úvod DNA transkripce mRNA Transkripce: gen se přepisuje do RNA začíná rozvolňováním krátkého úseku DNA jeden z řetězců DNA slouží jako templát pro syntézu RNA Dvoušroubovice DNA

Komplementarita bází

Syntéza RNA A G C U T 5' 3' 3' 5' U A A T G C 5' 3' Templátový Řetězec (DNA) Nově syntetizovaný (RNA) 3' 5' Templátový Řetězec (DNA) U A A T Nově syntetizovaný Řetězec (RNA) 3'-konec 5'-konec G C 5' Fosfodiesterová vazba 3'

ATP GTP

Vznik transkriptu Transkript - řetězec RNA vznikající transkripcí. Dochází k obnovení dvoušroubovicové struktury DNA a vytěsnění vlákna RNA – molekuly RNA jsou jednovláknové. Ribonukleosidtrifosfáty Transkript (mRNA) Na snímku je vytvořená animace znázorňující připojení ribonukleosidtrifosfátu k nově se syntetizující mRNA. Templát Dvoušroubovice DNA Směr transkripce

Vznik fosfodiesterové vazby RNA-polymerasa katalyzuje připojování nukleotidů na 3'-konec rostoucího řetězce RNA za vzniku fosfodiesterové vazby mezi 3'-OH skupinou řetězce a 5'-fosfátovou skupinou přidávaného nukleotidu. RNA je syntetizována ve směru 5' → 3'. Pro syntézu RNA je využívána energie vznikající hydrolýzou ribonukleosidtrifosfátu (ATP, UTP, GTP a CTP). RNA-polymerasa se pohybuje krok po kroku po DNA, rozvíjí její dvoušroubovicovou strukturu a uvolňuje tak vlákno pro komplementární párování s volnými ribonukleotidy. Na snímku je vytvořená animace znázorňující připojení ribonukleosidtrifosfátu k nově se syntetizující mRNA a vznik fosfodiesterové vazby. Vznik fosfodiesterové vazby 5' 3'

RNA-polymerasa Ribonukleosidtrifosfáty Templát pro syntézu RNA Rozvíjecí místo

Ribonukleosidtrifosfát Transkripce 3' Spustit animaci Transkript 5' Ribonukleosidtrifosfát 5' 3' Animace se spustí po kliknutí na animační tlačítko „Spustit animaci“. Na snímku je vytvořená animace zobrazující transkripci. Transkripce je katalyzována enzymem nazývaným RNA-polymerasa, který připojuje k templátu správné ribonukleosidtrifosfáty (ATP, CTP, GTP a UTP). Ribonukleosidtrifosfáty jsou znázorněny modře. Templát 3' 5'

Posttranskripční úpravy RNA u eukaryot Transkripcí vzniká nejprve primární transkript (Pre-mRNA) neboli heterogenní jaderná RNA (hnRNA) Ta se před opuštěním z jádra dále upravuje (podléhá posttranskripčním úpravám). Upravená mRNA je transportována do cytoplasmy a na ribosomech je překládána na proteiny (translace). Posttranskripční úpravy RNA je možné z učiva středoškolské biochemie vynechat. DNA (v jádře) Posttranskripční úpravy transkripce Pre-mRNA (v jádře) mRNA (vznik v jádře, transport do cytoplasmy) translace Protein

Exony a introny Eukaryotní DNA obsahuje: kódující sekvence (tzv. exony) nekódující sekvence (tzv. introny) Sestřih (RNA splicing): Introny z Pre-mRNA jsou odstraňovány „sestřihovými“ enzymy exony jsou spojeny dohromady Rozdělení DNA na exony a introny je možné z učiva středoškolské biochemie vynechat. Na snímku je vytvořená animace znázorňující odstranění intronů a spojení exonů. mRNA Exony Introny 2. Odštěpení intronů a spojení exonů 1. Přiblížení obou konců intronů

Translace (od RNA k proteinu) Prezentace Translace se zabývá překladem genetické informace zapsané v mRNA do proteinové sekvence.

Genetický kód a kodon Z funkční mRNA je informace použita pro syntézu proteinu. Genetický kód: pravidla, kterými se řídí přenos z DNA do aminokyselinové sekvence (prostřednictvím mRNA). V genetickém kódu platí konvence, že 5'-konec mRNA je zapisován vlevo! Sekvence nukleotidů mRNA je čtena po trojicích – po kodonech. Na snímku je vytvořená animace, která znázorňuje rozdělení mRNA na kodony. A U G C A G C G A C U G G U A U G C mRNA kodon 3' 5'

Genetický kód Dohromady lze vytvořit 64 (43) kombinací trojic nukleotidů: některé aminokyselině přísluší i několik tripletů (např. CCU, CCA, CCG, CCC je pro prolin) jednomu tripletu přísluší nanejvýš jedna aminokyselina. Genetický kód je téměř univerzální pro všechny organismy. A U G C A G C G A C U G G U A U G C mRNA kodon 3' 5'

Genetický kód V principu může být mRNA překládána ve všech třech čtecích rámcích podle toho, u kterého nukleotidu translace začne. Avšak jen v jednom čtecím rámci vzniká požadovaný protein. Ala Lys Thr Val Stop kodon Val A U G C mRNA A 3' 5' Gln Arg Pro Leu Na snímku je vytvořená animace, která ukazuje možnost vzniknu tří různých sekvencí aminokyselin (tří různých peptidových řetězců) podle toho, od kterého nukleotidu bychom začali překládat. Ser A U G C C mRNA Ser Gly 3' 5' Cys Leu Gln A U G C A mRNA 3' 5'

tRNA Kodony v mRNA nerozpoznávají přímo aminokyseliny, které specifikují. Translace mRNA do proteinu závisí na tRNA, která se spáruje s kodonem v mRNA. Na tRNA je navázána aminokyselina (aminoacyl-tRNA). Touto částí váže příslušné aminokyseliny Touto částí se páruje s kodonem v mRNA

Aminoacyl-tRNA Na 3'-konec (vždy končí sekvencí CCA) je navázána aminokyselina Antikodon jsou tři nukleotidy komplementární ke kodonu v mRNA

Struktura aminoacyl-tRNA Struktura jetelového listu přibližně 80 nukleotidů dlouhé Skutečný L-tvar tRNA Tento snímek je možné při výuce středoškolské biochemie vynechat či zařadit do semináře. Struktura jetelového listu

Aminoacyl-tRNA-synthetasa - enzym, rozpozná a připojí správnou aminokyselinu k tRNA Kodon pro tryptofan je UGG – antikodon je ACC A C Aminokyselina (Tryptofan) tRNA Snímky č. 10 – 12 týkající se aminoacyl-tRNA-synthetasy je možné při výuce středoškolské biochemie vynechat či zařadit do semináře. Specifické nukleotidy v obou ramenech, antikodonovém i vázajícím aminokyselinu, umožňují rozpoznání každé tRNA vlastní aminoacyl-tRNA-synthetasou. Aminoacyl-tRNA-synthetasa

Aminoacyl-tRNA-synthetasa Reakce katalyzovaná aminoacyl-tRNA-synthetasou vyžaduje dodání energie hydrolýzou ATP. Aminokyselina (Tryptofan) A C ATP AMP + 2Pi Vazba aminokyseliny k tRNA tRNA A C Snímky č. 10 – 12 týkající se aminoacyl-tRNA-synthetasy je možné při výuce středoškolské biochemie vynechat či zařadit do semináře. Aminoacyl-tRNA-synthetasa

Aminoacyl-tRNA-synthetasa Při této reakci vzniká vysokoenergetická vazba mezi tRNA a AMK. Energie je využita pro tvorbu kovalentní vazby mezi rostoucím polypeptidovým řetězcem a nově navázanou aminokyselinou. A C Aminoacyl-tRNA-synthetasa ATP AMP + 2Pi Vazba aminokyseliny k tRNA Makroergická vazba Aminokyselina (Tryptofan) U G Vazba kodonu k antikodonu Párování bází mRNA 5' 3' tRNA Snímky č. 10 – 12 týkající se aminoacyl-tRNA-synthetasy je možné při výuce středoškolské biochemie vynechat či zařadit do semináře.

Translace probíhá na ribosomech E-místo P-místo A-místo Velká ribosomální jednotka P A E Vazebné místo pro mRNA Malá ribosomální jednotka Malá podjednotka zodpovídá za nasednutí tRNA na kodon mRNA. Velká podjednotka katalyzuje vznik peptidové vazby mezi aminokyselinou a polypeptidovým řetězcem. Ribosom se pohybuje podél mRNA, překládá sekvenci mRNA do aminokyselinové sekvence za použití tRNA.

Iniciace translace Začátek na iniciačním kodonu AUG Met Začátek na iniciačním kodonu AUG Pro iniciaci je třeba iniciační tRNA, s navázaným methioninem (u bakterií formyl-methionin). iniciační tRNA s Met U eukaryot: iniciační tRNA je připojená k malé ribosomální jednotce. Malá ribosomální podjednotka Na mRNA je červeně znázorněný iniciační kodon AUG. Na čtyřech snímcích řazených za sebou je stručně popsána a zanimována část průběhu iniciace translace. Pomocí pohyblivých tvarů je docíleno konkrétnosti a pochopení návaznosti. Malá ribosomální podjednotka se i s navázanou iniciační tRNA naváže na 5'-konec mRNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se připojí velká podjednotka. mRNA 5' 3' AUG

Iniciace translace malá podjednotka se váže na 5'-konec mRNA pohybuje se ve směru 5' → 3' a hledá kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. Met mRNA 5' 3' AUG

Iniciace translace malá podjednotka se váže na 5'-konec mRNA pohybuje se ve směru 5' → 3' a hledá kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. E P A Po rozpoznání iniciačního kodonu se připojí velká ribosomální podjednotka. Velká ribosomální podjednotka Iniciační tRNA se váže do P-místa, prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé tRNA s aminokyselinou do A-místa. Met E P A Met mRNA 5' 3' AUG AUG AUG

Iniciace translace aa2 malá podjednotka se váže na 5'-konec mRNA pohybuje se ve směru 5' → 3' a hledá kodon AUG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tRNA. Po rozpoznání iniciačního kodonu se připojí velká ribosomální podjednotka. Iniciační tRNA se váže do P-místa, prodlužování řetězce může ihned začít navázáním druhé tRNA s aminokyselinou do A-místa. E P A Met AUG mRNA 5' 3'

Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2). Met aa2 E P A 5' 3' AUG mRNA

Iniciace translace V dalším kroku dochází ke vzniku peptidové vazby mezi methioninem a přicházející aminokyselinou (aa2). Ribosom se posune o 3 nukleotidy podél mRNA. tRNA bez navázané aminokyseliny se uvolní z E-místa a tRNA z A-místa se přenese do P-místa. Met aa2 E P A 5' 3' AUG mRNA

Elongace translace Neustále opakován tříkrokový cyklus: První krok: aminoacyl-tRNA je navázána do A-místa. aa4 Na třech snímcích řazených za sebou je zanimován pomocí pohyblivých objektů průběh elongace translace, během které dochází k prodlužování peptidového řetězce. NH2 aa1 aa2 aa3 E P A 5' 3' mRNA

Elongace translace Neustále opakován tříkrokový cyklus: První krok: aminoacyl-tRNA je navázána do A-místa. Druhý krok: vznik peptidové vazby. aa3 aa2 aa1 NH2 aa4 E P A 5' 3' mRNA

Elongace translace Neustále opakován tříkrokový cyklus: První krok Druhý krok Třetí krok - aminoacyl-tRNA je navázána do A-místa. - vznik peptidové vazby. - ribosom se posune o 3 nukleotidy. - tRNA bez navázané AMK se uvolní z E-místa. - tRNA z A-místa se přenese do P-místa. aa3 aa2 aa1 NH2 aa4 E P A 5' 3' mRNA

Elongace translace První krok - aminoacyl-tRNA je navázána do A-místa. Druhý krok - vznik peptidové vazby. Třetí krok - ribosom se posune o 3 nukleotidy. - tRNA bez navázané AMK se uvolní z E-místa. - tRNA z A-místa se přenese do P-místa. aa5 aa3 aa2 aa1 NH2 aa4 aa5 E P A 5' 3' mRNA

Elongace translace mRNA je překládána ve směru 5' → 3' aa4 aa3 aa2 aa1 NH2 aa5 tRNA Rostoucí peptidový řetězec Posun o tři nukleotidy Elongace translace mRNA je překládána ve směru 5' → 3' nejprve vzniká N-konec proteinu (polypeptidový řetězec roste směrem od N-konce k C-konci). Celý cyklus všech tří kroků je opakován dokud ribosom nenarazí na stop-kodon.

Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností stop kodonu (UAA, UAG nebo UGA). do A-místa se váže uvolňovací faktor místo AMK se váže molekula vody uvolní se C-konec polypeptidového řetězce z tRNA v P-místě Uvolňovací faktor NH2 Na třech snímcích řazených za sebou je pomocí pohyblivých objektů zanimován průběh terminace translace. K tomuto procesu dochází, jakmile se na mRNA objeví terminační kodon (na obrázku je červeně znázorněný terminační kodon UAA). aa1 aa3 aa2 E P A aa4 aa5 5' 3' UAA mRNA

Protein se uvolňuje do cytoplasmy. Terminace translace Konec proteinu je signalizován přítomností stop kodonu (UAA, UAG nebo UGA). do A-místa se váže uvolňovací faktor místo AMK se váže molekula vody uvolní se C-konec polypeptidového řetězce z tRNA v P-místě H2O NH2 aa5 aa4 aa3 aa2 aa1 COOH NH2 aa5 aa4 aa3 aa2 aa1 Protein se uvolňuje do cytoplasmy. E P A 5' 3' mRNA UAA

Terminace translace mRNA se odpojí od ribosomu dojde k disociaci obou podjednotek ribosomu E P A 5' 3' UAA mRNA

Videa http://www.biomach.cz/biologie-bunky/exprese-genu-videa Introduction to proteinsynthesis Transcription Translation

Použitá literatura ALBERTS, B. a kol. Základy buněčné biologie. Ústí nad Labem: Espero Publishing, 1997. NEČAS, O. a kol. Obecná biologie pro lékařské fakulty. Jinočany: Nakladateství H&H, 2000. KUBIŠTA, V. Buněčné základy životních dějů. Praha: Scientia, 1998. www.studiumbiochemie.cz Obrázky: Milada Teplá (v MS powerpoint, Adobe flash)