Úvod do biologie

Charakteristika živých soustav: vysoká uspořádanost nestabilita - dynamičnost otevřenost soustavy - výměna látek a energie s prostředím schopnost přeměny energie smrtelnost schopnost se rozmnožovat schopnost se vyvíjet v čase - evoluce

Buněčná teorie: 1) Veškeré živé organismy složeny z buněk 2) Buňka = základní funkční jednotka života 3) Vznik nových buněk z preexistujících buněk Vyjímka z buněčné teorie: viry

formy organizovanosti živé hmoty: Buněčná: prokaryota: bakterie, sinice eukaryota: prvoci, houby, rostliny, živočichové Nebuněčná: viry

v jádře s jader. membránou Prokaryota Eukaryota DNA kruhová v cytoplazmě lineární,organizovaná do chromozomů v jádře s jader. membránou RNA+ bílk. syntéza ve stejném transkripce v jádře, kompartmentu translace v cytoplasmě Cytoplasma není cytoskelet je cytoskelet Dělení binární mitoza Organely primitivní, ribozomy četné Geny nejsou introny exony + introny Replikace začíná na 1 místě začíná na mnoha místech současně Ribosomy 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S) S = Swedbergova sedimentační konstanta

Viry rostlinné, živočišné, bakteriální = bakteriofágy Evoluce virů nepředcházela vzniku buňky, původ z plazmidů? Virion = NK (DNA nebo RNA) + bílkovinný obal (kapsida) event. další obal podobný biomembráně (obalené viry) Bakteriofág = hlavička + bičík

Reprodukce virů: vázána na hostitelskou buňku adsorbce a průnik viru n. virové NK do buňky replikace transkripce a translace tvorba kompletních virových partikulí uvolnění viru z buňky = lyze buňky nebo exocytoza

Lysogenie-virogenie = integrace virové NK do hostitelského genomu jako provirus replikace s DNA hostitelské buňky přenos do dceřinných buněk po indukci se může uvolnit – lyze viry jako vektory onkogenů efekt na buňku: smrt buňky (lyze) cytopatický efekt (exocytoza) latentní viry – buňku nepoškodí, přenos do dceřinných buněk

Centrální dogma molekulární biologie Nádorové viry –transformace buňky v nádorovou Nesou onkogen – DNA nádorové viry-virový onkogen - RNA nádorové viry = retroviry reverzní transkriptaza = enzym umožňující přepis RNA do DNA – onkogen retrovirů-buněčného původu Centrální dogma molekulární biologie DNA → RNA → bilkovina transkripce translace replikace reverzní transkripce

Priony = nebuněčné virus „like” organismy infekční obsahují proteiny, NK neprokázána rezistentní na poškození, které denaturuje NK citlivé na látky, které denaturují bílkoviny abnormální prion - produkt mutovaných genů epigenetická změna proteinu (posttranslační modifikace proteinů neuronů?)

Prionový protein výskyt ve dvou izoformách: normální PrPC abnormální PrPSc liší se konformací molekuly (PrPC převaha -helixu, málo β-struktury PrPSc převaha β struktury Přítomnost PrPSc indukuje změnu PrPC = normálního na abnormální (snad spontánně u starých osob v omezené míře) je silně potencována infekcí (abnormálním prionem) a probíhá jako řetězová reakce

dědičná choroba (AD s neúplnou penetrancí) = mutace genu = změna proteinu (př.záměna AK) = menší stabilita molekuly= snazší změna konformace mezidruhový přenos vzácný (rozdíly v prionových molekulách=bariéra přenosu), ale v zásadě možný s delší dobou latence přenos z člověka na člověka: Růstovým hormonem, mozkovými elektrodami

Onemocnění: Creutzfeld-Jakobsova choroba: postižení šedé kůry mozkové, těžké neurologické příznaky s rychle progradující demencí kuru: Papua-Nová Guinea: neschopnost koordinace pohybu, obrny, demence – šíření rituálním kanibalismem

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

Průkaz, že DNA je nositelka genetické informace Pneumokok S + R virulentní inaktivované b. nevirulentní živé b. S virulentní inaktivované b. Transformační pokus u bakterií – Griffith 1928 Stejný efekt s izolovanou DNA– Avery,McLeod,McCarthy 1944

Struktura DNA Watson, Crick 1953: dvoušroubovice = 2 řetězce nukleotidů stočené do spirály Nukleotid: cukr = deoxyriboza (5C) fosfát N báze – purinová : adenin (A), quanin( G) - pyrimidinová : cytosin (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

Doporučená literatura Genetika, E. Kočárek , Scientia 2005 Molekulární biologie v medicíně, E.Kočárek, NCO NZO Brno 2007- skriptum Biologie člověka pro bakalářské studium na lékařských fakultách – skriptum: I. Základy genetiky – B.Otová, F. Soukup II. Vývoj a růst člověka- J.Kapras, J.Vymlátil, E.Topinková