GENETIKA

Literatura pro zopakování znalostí ze střední školy

GENETIKA• Eduard Kočárek

• Scientia, Praha

• 2004

Doplňková literatura

GENETIKA• D. P. Snustad – M. J. Simmons

• Masarykova univerzita

• Brno

• 2009

Molekulární základy dědičnosti

Základní dogma molekulární genetikyZákladní dogma molekulární genetiky základní biochemické operace s

nukleovými kyselinami, které probíhají v každé živé buňce.

1. Toto dogma předpokládá, že u naprosté většiny organismů je „návod“, jak má buňka vypadat a jaké má plnit funkce zapsán prostřednictvím molekul deoxyribonukleové kyseliny (DNA).

2. Vlastnosti buňky jsou dány proteiny, které buňka dokáže vyrábět. Prvním krokem pro výrobu proteinů je přepis genů z molekul DNA do molekul ribonukleových kyselin (RNA). Tento proces se označuje transkripce.

3. Molekuly RNA jsou následně překládány do pořadí aminokyselin, které vytvářejí polypeptidový řetězec – protein. Tento proces se označuje translace.

4. Základním znakem živé buňky je schopnost vytvářet identické kopie molekul DNA, které jsou nezbytné pro buněčné dělení. Tento proces se označuje jako replikace DNA.

Streptococcus pneumoniae je schopen transformace

Definice genu

V současnosti termín gen mnohem lépe vystihuje molekulární definice, která říká, že gen je úsek molekuly DNA, který kóduje vznik polypetidu.

Z této definice jasně vyplývá, že za geny nemůžeme považovat veškerou DNA organismu. Například u člověka geny tvoří pouze 5 % z celkové DNA.

Z hlediska klasické genetiky můžeme gen definovat jako základní jednotku dědičnosti.

William Batesson (1861-1926, Velká Británie) v roce 1902 poprvé použil termín gen a genetika.

Molekulární definice genu

úsek molekuly DNA

chromozóm

buňka

jádro

Molekulární definice genu

Na obrázku je znázorněno zjednodušené schéma vzniku černého zbarvení u psů. Toto zbarvená způsobeno pigmentem melaninem. Syntéza tohoto pigmentu je řízena jaderným genem A.

gen A

gen C

DNA

gen B

molekula DNA

transkripce

translace

polypeptid tvořený aminokyselinami

RNA

Deoxyribonukleová kyselinaDNA – objev struktury

James Dawey Watson

Frencis Harry

Compton Crick

Maurice Hugh

Frederick Wilkins

Rosalinda Franklinová

1962 – Nobelova cena pro Watsona, Cricka a Wilkinsna.

Rok 1953 – objev dvoušroubovicové struktury molekuly DNA

Model DNA - pravotočivá dvoušroubovice (alfa-helix), který navrhli Watson, Crick a Wilkins v roce 1953.

Slovo dvoušroubovice znamená, že molekula DNA je tvořena dvěma vlákny.

různé typy počítačových simulací struktury DNA

Dvě vlákna molekuly DNA• Eukaryotní jaderná DNA je tvořena dvěma vlákny. • Tato vlákna mají antiparalelní uspořádání.• Vlákna jsou spojena vodíkovými můstky.

Z čeho je molekula DNA sestavena?• Molekula DNA patří mezi makromolekuly neboli biopolymery .• To znamená, že každé vlákno je sestaveno z opakujících se „stavebních“

jednotek. Těmito jednotkami jsou nukleotidy.

Každý nukleotid je tvořen:

1. dusíkatou bází

2. cukrem

3. fosfátovým zbytkem

fosfátový zbytek

cukr

dusíkaté báze

Dusíkaté báze• Dusíkaté báze jsou důležité pro schopnost molekuly v sobě zakódovat

informaci o aminokyselinovém složení polypeptidů.• Z hlediska organické chemie báze řadíme mezi dusíkaté heterocyklické

sloučeniny. Heteroatomem je dusík.

Dusíkaté báze molekuly DNA můžeme rozdělit na:1. Puriny (adenin a guanin), které mají dva heterocykly2. Pyrimidiny (cytosin a thymin), které mají jeden heterocyklus

V genetice se pro nukleotidy používají následující symboly:A – adeninG – guaninC – cytosinT – thymin

Při syntéze molekul DNA buňka využívá deoxynukleotid trifosfáty.

Deoxyadenosin trifosfát

A – adenin

cukrdeoxyribóza

fosfátové zbytky

1

23

4

5

Komplementarita bázíDvě vlákna molekuly DNA jsou k sobě vázána prostředím vodíkových

můstků, které která se vytvářejí mezi protilehlými dusíkatými bázemi. Platí následující pravidla:

1. Purinová báze je vždy navázána na pyrimidinovou bázi.

2. Vodíkové můstky mohou vznikat tudíž mezi adeninem a thyminem nebo mezi guaninem a cytosinem.

3. Adenin je s thyminem vázán dvěma vodíkovými můstky.

4. Cytosin je s guaninem vázán třemi vodíkovými můstky.

5. Porušení vodíkových můstků se označuje jako denaturace DNA. Tento proces je vratný.

Komplementarita bází

Replikace DNA a její význam• Replikace DNA neboli reduplikace neboli syntéza je jedinečný

mechanismus, kdy si buňka dovede vyrobit identické kopie vlastních molekul DNA.

• Replikace je zcela nezbytná proto aby v tělních buňkách vzniklých rozdělením mateřské buňky byla zcela identické genetické informace.

• Replikace DNA probíhá vždy před rozdělením buňky.

• Replikace DNA je v buňce přísně kontrolována. Replikační chyby jsou ve většině případů opraveny.

• Neopravené replikační chyby způsobují bodové mutace.

Replikace DNA v lidské somatické buňce

Mladá lidské somatická buňka obsahuje 46 chromozómů. Každý chromozóm nese jednu molekulu DNA. Celkový počet molekul DNA je v této buňce 46.

Buňka obvykle roste a zvětšuje svou velikost

Po ukončení růstu v buňce proběhne replikace DNA. Dojde ke zdvojnásobení počtu molekul DNA. Buňka má tudíž 92 molekul DNA. Přičemž vždy dvě molekuly jsou zcela identické. Tato buňka je připravena na rozdělení.

Z původní buňky vznikají dvě dceřiné buňky. Každá z nich má ve svém jádru opět 46 molekul DNA, které jsou zcela identické, jako měla výchozí buňka na začátku tohoto schématu.

Mechanismus replikace zajišťuje, že ve všech tělních buňkách budou identické molekuly DNA.

Komplementarita je základním principem replikace

Replikace DNA vychází z následujících principů:

1. V původní molekule DNA jsou porušeny vodíkové můstky.

2. Vznikají tak jednovláknové úseky molekuly DNA.

3. K těmto jednovláknovým úsekům je na principu komplementarity syntetizováno druhé vlákno.

4. Vznikají dvě dceřiné molekuly DNA, které jsou zcela identické jako původní molekula.

5. Dceřiné molekuly mají vždy jedno vlákno pocházející z mateřské molekuly a jedno vlákno nově syntetizované.

Počátky replikace• Místa na molekule DNA, kde je zahájena replikace DNA se označují jako

místa ori.

• U prokaryot je v jednom nukleoidu pouze jedno ori místo.

• U eukaryot je na jedné molekule DNA velké množství ori míst.

• V ori místě se vytvářejí dvě replikační vidličky.

Enzymy účastnící se replikaceReplikace DNA je složitý proces, kterého se účastní řada enzymů. Mezi

nejdůležitější patří:

1. Gyrázy a helikázy rozvolňující dvouřetězcovou strukturu DNA.

2. Primáza vytvářející RNA primery s hydroxylovou skupinou na 3´konci.

3. DNA polymerázy provádějící zabudování nukleotidů na principu komplementarity.

4. Ligázy propojující Okazakiho fragmenty.

5. Telomerázy zajišťují správnou replikaci konců molekul DNA.

Funkce enzymů při replikaci bude vysvětlena na následujícím schématu.

Schéma replikace

vedoucí vlákno

opožďující se vlákno

původní molekula DNA

gyrázy a helikázyDNA polymeráza

replikační vidlička

primáza DNA polymeráza

DNA polymerázaligázaOkazakiho fragment

Struktura molekuly RNA

• RNA nevytváří dvoušroubovicovou strukturu.

• Cukernou složkou jsou molekuly ribózy.

• Báze thymin typická pro DNA je nahrazena uracilem.

Transkripce• Transkripce je proces vedoucí ke vzniku molekul RNA na základě sekvence

molekul DNA. • Transkripce jaderné DNA probíhá v jádře. Vzniklé molekuly RNA jsou následně

transportovány jadernými póry do cytoplazmy.• Transkripce je realizována enzymy RNA polymerázami, které pracují rovněž na

principu komplementarity.• RNA polymeráza dokáže v molekule DNA identifikovat začátek genu – promotor a

vytvoří přepis genu až do jeho konce – terminátoru.

DNA

přepisované vlákno DNAvznikající

molekula RNA

RNA polymeráza

Typy molekul RNA

Z hlediska funkce rozeznáváme následující typy molekul RNA:

1. mRNA (messenger) určuje pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci.

2. tRNA (transfer) zajišťuje dopravení správných aminokyselin do vznikajícího řetězce.

3. rRNA (ribosom) je součástí ribozómů.

tRNA• tRNA má strukturu jetelové trojlístku.

• Jejím úkolem je transportovat správné aminokyseliny do ribozómu při translaci.

• Pro translaci má význam antikodónová smyčka nesoucí tři nukleotidy nazývané antikodón.

• Antikodón vykazuje komplementaritu ke trojici nukleotidů na molekule mRNA, která se označuje jako kodón.

antikodón

místo pro navázání aminokyselinyaminokyselina

valin

rRNA a ribozómy• Existuje několik typů rRNA, které spolu s proteiny vytváří ribozómy.

• Funkční ribozóm je tvořen velkou a malou podjednotkou.

• Ribozómy se nacházejí volně v cytoplazmě nebo jsou přichyceny na endoplazmatické retikulum.

• Na ribozómech probíhá translace – poslední etapa proteosyntézy.

velká podjednotka

malá podjednotka

mRNA

ribozóm

tRNA

aminokyselinyvznikající polypeptid

ribozómy v elektronovém mikroskopu

prostorové modely ribozómů

Translace• Translace je poslední fází proteosyntézy.• Translací se rozumí překlad informací v molekule mRNA do pořadí

aminokyselin v polypeptidovém řetězci.• Translace probíhá na ribozómech.• Translace se účastní obě podjednotky ribozómů, mRNA, tRNA,

aminokyseliny a řada enzymů.• Trojice bází (triplet) na molekule RNA vytváří kodón, který rozhoduje o

zařazení konkrétní aminokyseliny do polypeptidu.• Kodón je komplementární k antikodónu na molekule tRNA, které předává

správnou aminokyselinu do ribozómu.• V ribozómu vzniká peptidické vazba mezi dvěma sousedními

aminokyselinami.

Schéma translace bude popsáno na následujícím schématu.

Schéma translace

směr translacekodóny

antikodóny

uvolněná tRNA

mRNA

tRNA nesoucí prolin

prodlužující se polypeptidový řetězec

podjednotky ribozómu

Genetický kód• Genetický kód zjednodušeně představuje tabulku tripletů, podle kterých

ribozóm dešifruje informaci v molekule mRNA a překládá jí do pořadí aminokyselin v tvořícím se polypeptidovém řetězci.

Z tabulky genetického kódu vyplývají jeho vlastnosti:

1. Je tripletový – zabudování jedné aminokyseliny je řízeno trojicí bází neboli tripletem.

2. Je univerzální – pro všechny jaderné eukaryontní geny platí tento princip kódování aminokyselin.

3. Je nepřekrývavý – triplety jsou na mRNA překládány jeden za druhým.

4. Je degenerovaný – existují aminokyseliny, které jsou kódovány více než jedním tripletem.