Struktura a funkce buněčného jádra

Prezentace na téma: "Struktura a funkce buněčného jádra"— Transkript prezentace:

1 Struktura a funkce buněčného jádra
Mgr. Andrea Benedíková MUDr. Josef Srovnal Laboratoř experimentální medicíny DK LF UP a FN Olomouc

2 Cíle semináře Seznámit posluchače se strukturou buněčného jádra a chromozómů Popsat hlavní funkci buněčného jádra – replikace, transkripce Poukázat na možnosti léčebného ovlivnění procesů na úrovni buněčného jádra

3 Prokaryota vs. Eukaryota
Přítomnost x nepřítomnost jádra = základ pro třídění všech živých organismů eu = opravdu, karyon = jádro pro = před

4 Buněčné jádro Jádro lidské buňky: 5-8 μm v průměru 10% objemu buňky
DNA 3x109 bp (haploid) (1 milion stran textu) celková délka DNA 2 m 2 x 23 chromosomů (od matky a otce) 23 tisíc genů

5 Struktura jádra jaderný obal jaderné membrány jaderné póry filamenta
jaderná matrix chromatin jadérko

6 Jaderný obal Prokaryota vs. eukaryota Proč obal?
Ochrana DNA při aktivitě cytoskeletu

7 Jaderné póry složeny z proteinových podjednotek
kanály naplněné vodou – malé molekuly rozpustné ve vodě větší molekuly – tzv. jaderný lokalizační signál

8 Intermediární filamenta
Nukleoskelet - komplexní struktura analogická cytoskeletu složená z jaderná laminy a několika typů filament nutných pro průběh replikace DNA, vazbu chromatinu a integritu jádra pevnost v tahu fce = vydržet mechanický stres

9 Jaderná matrix Eukaryontní chromosom – chromatin = komplex DNA + proteinů Bakteriální chromosom – cirkulární molekula DNA Heterochromatin - trvale v kondenzovaném stavu Euchromatin - v interfázi dekondenzován, v mitóze kondenzován

10 Jadérko = nucleolus chromozomy s geny pro rRNA
transkripce genů pro rRNA a tvorba ribozomálních podjednotek

11 Chromozomy Eukaryontní DNA je uspořádána do chromozomů.
Chromozom - dlouhá lineární DNA sbalená pomocí proteinů do složitějších struktur umožňujících snadné rozbalení a sbalení, čili úžasnou archivaci a zároveň rychlé čtení (milion stran textu v každé buňce). Struktura chromozomu se mění během buněčného cyklu (M-fáze – kondenzovaný, neaktivní, interfáze – dekondenzován, aktivní, transkripce).

12 Chromozomy 2 kopie každého chromozomu = homologní chromozomy
jediný nehomologní pár – pohlavní chromozomy samců (XY)

13 Struktura genu na chromozomu
Regulační sekvence – vazba proteinů ovlivňujících transkripci Eukaryontní geny jsou přerušovány nekódujícími sekvencemi = introny Kódující sekvence = exony Intronové sekvence jsou z primárního RNA transkriptu vystřiženy (setřih RNA = RNA splicing). Vzniká molekula mRNA.

14 Struktura nukleozomu Nukleozom = základní jednotka kondenzace chromatinu Nukleozom tvořen jádrem z osmi histonových molekul obtočených DNA Nukleozomy spojeny spojníkovou DNA Každý nukleozom = 200 nukleotidových párů DNA Kolem jádra nukleozomu 2 neúplné otočky DNA = 146 nukleotidových párů

15 Histony Malé proteiny s vysokým obsahem kladně nabitých aminokyselin – vazba na negativně nabitou cukr-fosfátovou kostru DNA V jádře nukleozomu po dvou molekulách typy H2A, H2B, H3 a H4 Histonů je v buňce značné množství (kolem 60 milionů molekul od každého typu v jedné buňce) a jejich celková hmotnost je přibližně stejná jako DNA samotné

16 Nukleozomy Chromatin – 30 nm silné vlákno Dekondezace – nukleozomy („korálky na niti“) Nukleozom = nukleozomové jádro + sousední spojovací úsek DNA omotání DNA kolem nukleozomu – zkrácení molekuly DNA přibližně o 1/3 její původní délky

17 Kondenzace do 30-nm vlákna - histon H1
Globulární jádro histonu H1 drží sousední nukleozomy u sebe v pravidelně se opakujícím uspořádání

18 Úrovně kondenzace chromatinu
Předpokládané stupně kondenzace DNA vedoucí až ke struktuře vysoce kondenzovaných mitotických chromozomů

19 Funkce buněčného jádra
replikace DNA transkripce processing, splicing RNA tvorba a transport ribosomálních podjednotek transport mRNA do cytosolu

20 Replikace Replikace – v S-fázi buněčného cyklu (synthesis)
Zdvojení nejenom DNA, ale i histonů a jaderných proteinů Na konci S-fáze (8hodin) – dvě kopie chromozomu spojené centromerou laboratorní využití – metoda PCR

21 Replikace Vlákna DNA komplementární – obě slouží jako templát
Replikace – vznik dvou nových dvojšroubovic DNA, které jsou věrnými kopiemi mateřské molekuly

22 Specializované sekvence DNA zajišťující účinnou replikaci chromozomů
Každý chromozom má mnoho počátků replikace, jednu centromeru a dvě telomery

23 Replikační počátky DNA za normálních podmínek velmi stabilní – vodíkové můstky narušení – teplota okolo 100 °C v buňce - iniciační proteiny speciální nukleotidové sekvence - rozpoznávány iniciačními proteiny a snadné oddělení řetězců (enzym DNA-helikáza) po navázání iniciačních proteinů na DNA a otevření dvojšroubovice se na replikační počátek váží proteiny spolupracující na syntéze nového vlákna

24 Replikační vidličky začátky replikace mají typický tvar Y – replikační vidličky - navázány proteiny replikačního aparátu – pohyb ve směru replikace, rozvíjení dvojšroubovice za současné syntézy nového řetězce

25 DNA-polymeráza nejdůležitější enzym replikačního aparátu
připojena k DNA pomocí speciálního proteinu, během replikace zůstává navázána na DNA a pohybuje se podél ní polymerační aktivita (5´-3´) - katalyzuje připojování nukleotidů na 3´-konec rostoucího řetězce DNA nukleázová aktivita (3´-5´) – štěpení nukleových kyselin při opravě špatně navázaného nukleotidu (korektura) (1 chyba na 107 navázaných nukleotidů)

26 Okazakiho fragmenty syntéza DNA pouze ve směru 5´-3´
vedoucí a opožďující se řetězec Ve směru 3´-5´ prodlužována DNA diskontinuálně po krátkých úsecích = Okazakiho fragmenty

27 RNA jako primer pro syntézu DNA
DNA-polymeráza schopna vázat nukleotid pouze na předchozí komplementární nukleotid (viz. korektura) Nutno enzym schopný spojit dva volné nukleotidy a začít syntetizovat nové vlákno podle jednořetězcové DNA Primáza – syntéza RNA = primer pro syntézu DNA – poskytne 3´-konec pro DNA-polymerázu RNA-primery nakonec odstraněny nukleázou a nahrazeny DNA pomocí DNA-polymerázy, úseky nakonec spojeny DNA-ligázou

28 Přehled enzymů účastnících se replikace
DNA-helikáza – oddělování mateřských řetězců DNA Primáza – syntéza RNA jako primeru pro syntézu DNA DNA-polymeráza – syntéza DNA řetězce Nukleáza - štěpí primerovou RNA DNA-ligáza – spojení úseků DNA do jednoho řetězce

29 SSB-proteiny (Single-strand binding proteins)
součást replikačního aparátu - proteiny vázající se na jednořetězcovou DNA a chránící ji (po rozpletení helikázou) před znovuspárováním

30 Svírací protein (Sliding clamp)
Součást replikačního aparátu – pevně váže DNA-polymerázu na templát, na opožďujícím se řetězci ji navíc uvolňuje po dokončení syntézy každého Okazakiho fragmentu

31 Replikace

32 Transkripce = přepis krátkého úseku DNA do RNA – vzniká RNA komplementární k jednomu řetězci DNA v některých krocích podobná replikaci další krok = translace (překlad) RNA – syntéza proteinů – probíhá na ribozomech

33 Transkripce Začíná jako replikace rozvolněním dvojšroubovice DNA - 1 z řetězců slouží jako templát Oproti nově vznikající DNA však nezůstává RNA spojena s templátovou DNA – po přidání nukleotidu dochází k obnovení dvojšroubovicové struktury DNA a vytěsnění vlákna RNA

34 RNA-polymeráza přepis DNA do RNA opět 5´-3´ polymerační aktivita
nemá 3´-5´ nukleázovou aktivitu – neschopna oprav – transkripce méně přesná než replikace (1 chyba na 104 přepsaných nukleotidů) – RNA není určena jako DNA k trvalému uchování genetické informace

35 Posttranskripční úpravy (RNA processing)
Bakterie – DNA volně v cytoplazmě, zde i ribozomy Eukaryontní DNA – v jádře, transkripce probíhá v jádře – RNA poté transportována z jádra do cytoplazmy jadernými póry před opuštěním jádra - posttranskripční úpravy primárního transkriptu přidání čepičky polyadenylace - vystřiženy introny = sestřih RNA (RNA splicing)

36

37 Léčiva směřující do buněčného jádra
Léčiva ovlivňující dělení buněk: Cytostatika, imunosupresiva, antivirotika Inhibice biosyntézy NK – analoga Poškození struktury a funkce NK – alkylace, interkalace, inhibice topoizomeráz Alterace mikrotubulárních proteinů

38 Inhibice biosyntézy NK - analoga
Analoga: aktivována a inkorporována do NK – zástava replikace, transkripce, nesprávný kód Indikace: nejčastěji hematologické malignity Dělíme na: Analoga kyseliny listové Purinová analoga Pyrimidinová analoga

39 Poškození struktury a funkce NK
Účinek: poškození struktury a funkce NK má za následek inhibici replikace a transkripce. Indikace: nejčastější cytostatika, solidní tumory Dělíme dle mechanismu poškození NK na: alkylace – kovalentní vazba interkalace – nekovalentní vazba inhibice topoizomeráz (topoizomerázy jsou nukleární enzymy důležité pro replikaci – riziko překroucení dvojšroubovice a vznik zlomů)

40 Alterace mikrotubulárního proteinu
Mitotické jedy – alterace mikrotubulů poškodí funkci dělícího vřeténka – omezená migrace chromosomů při mitóze. Většina omezuje syntézu tubulinu. Polymerizace – v rovnováze s - depolymerizaci Inhibitory polymerizace – inhibice syntézy Inhibitory depolymerizace – inhibice rozpadu

41 Přednáška volně ke stažení na: www.lem.ocol.cz
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter 28/02/ pages Úvod do molekulární biologie Stanislav Rosypal, 4. vydání, 2006 Přednáška volně ke stažení na:

42 Děkuji za pozornost Mgr. Andrea Benedíková
Laboratoř experimentální medicíny DK FN a LF UP Olomouc Tel: