52. Genetika buňky, molekulární základy

dědičnosti

• Genetika

- věda zabývající se dědičností a proměnlivostí

dědičnost : dědičností se rozumí schopnost organismů uchovávat soubor informací (genů) o

nejrůznějších fyziologických a morfologických vlastnostech a schopnost předávat

tento soubor informací svým potomkům

: při rozmnožování * jedinci téhož druhu - přenos genetické informace

proměnlivost : proměnlivostí se rozumí tvarová a funkční rozmanitost živých soustav

v průběhu jejich historického vývoje - různorodost stavby těla a

fyziologických pochodů..

: tyto rozdíly jsou ovlivněny jednak vlivem rozdílných podmínek prostředí, ve

kterém se jedinci nacházejí, jednak rozdílnostmi v uspořádání dědičných

souborů informací těchto jedinců

Historie

• Johann Gregor Mendel (1824-18884)

• zakladatel nauky o dědičnosti, vynikající experimentátor

• autor tří základních genetických zákonů, podle nichž dochází k přenášení znaků z rodičovské generace na potomstvo

• zavedl pojem recesivní a dominantní znak a matematicky vyjádřil frekvenci jejich výskytu = štěpný poměr

• J.D. Watson + F.H. Crick

• dostali Nobelovu cenu za objev struktury DNA v roce 1953

• Hardy + Weinberg - genetika populací

• Morgan - přenos a vazba genů

• Struktura DNA

- nukleové kyseliny zajišťují přenos a přepis genetické informace

- všechny nukleové kyseliny se skládají z nukleotidů

- v pořadí nukleotidů v polynukleotidových řetězcích molekul DNA je obsažena genetická informace organismu

- genetická informace je uložena v molekule DNA

stavba:

- vlákno DNA je tvořeno dvěma polynukleotidovými řetězci, které jsou stočeny do šroubovice

složení nukleotidu: 1. pentóza - u DNA 2-doxy-D-riboza

- u RNA D-riboza

2. báze - purinové : A, T (A=T)

- pirimidinové : C, G (C≡G)

: u RNA - A, U (A=U) C, G (C≡G)

3. zbytek kys. fosforečné (fosfát)

- molekuly dusíkatých bází jsou mezi sebou spojeny pomocí vodíkových můstků

- komplementární párování bází (páry nukleotidů jsou tvořeny tak, že jeden jeho člen je purinová báze, druhý pyrimidinová)

- k vazbě fosfát-cukr je nukleosidovou vazbou připojena báze

- 3´konec, 5´konec ..antiparalelnost

- u eukaryot je DNA v jádře, u prokaryot v cytoplasmě

- DNA+histony = nukleosom

Struktura chromozomů

- soubor dědičných informací (genů) je soustředěn převážně v buněčném jádře

- v b. jádře jsou geny vázány na chromozomy - jejich tvar a velikost je pro daný organismus shodný

- při mitózách se předává obsah jádra

chromatin: komplex nukleových kyselin - především DNA, a bílkovin - histony

: jádro DNA se omotává kolem histonů = * nukleosom a dalším stáčením *

chromozom (=spiralizovaná molekula DNA)

- chromozom se skládá z chromatid a v každé chromatidě je molekula DNA

- chromatoidy jsou spojené centromerou - na ní kynetochor, rozdělování chromatid

poloha centromery:

→ uprostřed chromozomu: obě ramena oddělená centromerou jsou stejně dlouhá =

metacentrický chromozom

→ posunuta blíže k jednomu konci : velikost ramen je rozdílná = submetacentrické chromoz.

→ centromera je umístěna na jednom konci: jednoramenné chromoz. = akrocentrické

teloméra: koncová část chromatid

karyotyp: souhrn chromozomů daného organismu

: udává počet a tvar chromoz. - pomocí toho je organismus zařazován do

jednotlivých rostlinných, živoč. druhů

• Mitóza

- viz MO č.3

- zajišťuje rozdělení jádra mezi dceřiné buňky

- mitotické dělení probíhá v několika fázích (interfáze, profáze, metafáze, anafáze, telofáze)

- při mitóze z každého chromozomu * 2 jednochromatidové dceřiné chromozomy - rozcházejí se k opačným pólům buňky = vytváří se tak dvě geneticky rovnocenná dceřiná jádra se stejnou sádkou chromozomů

- na mitózu navazuje cytokineze

- k obnovení dvojité sádky chromozómů dochází v S-fázi buněčného cyklu - probíhá zde intenzivní replikace DNA a syntéza chromozomálních bílkovin

• Meioza

- viz MO č.3

- z jader 2n buněk * pohlavní buňky - gamety, mají n počet chromozomů (každá gameta má z původního homologického páru 1 chromoz.)

- probíhá ve dvou mitozách, ale nedochází k replikaci DNA a nezúčastňuje se buněčného cyklu

-- heterotypické dělení

-- homeotypické dělení

segregace chromoz.: náhodné rozdělení chromoz. do dceřinné b., kombinace

• Replikace DNA

- při replikaci DNA vznikají z jedné původní molekuly DNA dvě strukturně stejné molekuly dceřiné - tímto procesem je zajištěna kontinuita souboru genetických informací v následných buněčných generacích

- základním enzymem pro replikaci DNA je DNA-polymeráza

- jedno vlákno dvoušroubovice slouží jako templát pro syntézu nové DNA

- replikace DNA je semikonzervativní = ve dvou nových molekulách DNA je jedno vlákno nově dosyntetizováno a jedno je původní

- nové dosyntetizované vlákno je komplementární k původnímu templátu

- stavební materiál pro nová vlákna - nukleotid trifosfát

replikace

- jedná se o proces, při kterém dochází k rozvolnění dvoušroubovicovité molekuly DNA, a to zrušením vodíkových vazeb mezi jednotlivými bázemi

- na počátku replikace se tvoří replikační bubliny

• replikace je katalizována enzymem DNA-polymeráza = připojuje nukleotidy, na základě párování bází, k řetězci

- připojuje 5´konec nového nukleotidu k 3´konci nového polynukleotidového vlákna

= nové vlákno vzniká vždy ve směru 5´ → 3´, opačně to neumí

- mezi novým nukleotidem a polyn. řetězcem * fosfodiesterová vazba (drží pomocí proteinů)

- DNA-polymeráza se umí opravit - připojí špatně nukleotid - odštěpí ho a připojí nový

• heliáza: rozplétá původní dvoušroubovici DNA

• primáza = RNA-polymeráza: DNA-polymeráza neumí udělat řetězec, pouze přikládá → tzn. RNA-polymeráza začne a DNA-polymeráza začne přikládat

- její činností * začátky RNA = RNA primer

replikační bublina:

- replikační vidličky rozplétají vlákna v obou směrech

- ve směru 5´- 3´ vzniká nové vlákno

2 řetězce : vedoucí - vzniká souvisle

: váznoucí (nové)- vzniká ve formě okazakiho fragmentů

- na konci replikace dojde k tomu, že se činností nukleázy RNA-primery odštěpí, dosyntetizuje se DNA a enzym lipáza spojí okazakiho fragmenty

Replikace DNA u prokaryot

- replikace začíná na jednom místě, replikační vidličky jsou proti sobě

- je cyklická

- okazakiho fragmenty se skládají z 1000 nukleotidů

- rychlost 1000nukleotidů/s

Replikace DNA u eukaryot

- replikace začíná na více místech (10 000)

- okazakiho fragmenti jsou kratší (40-90 nukleotidů)

- replikace je pomalejší

histony: na jedné dvoušroubovici jsou původní histony, na druhé nově nasyntetizované

- vedoucí vlákno si nechává původní histony

- replikace je nejpřesnější přenos genetické informace, chyby 10⁷

• Syntéza bílkovin = proteosyntéza

2 děje: transkripce a translace

transkripce - vzniká RNA, největší význam má m-RNA

- zajišťuje přepis DNA do RNA

translace - informace uložená v tripletu (trojice bází) se překládá z m-RNA do pořadí AMK v

bílkovinách

• Transkripce

- přepis genetické informace z DNA do RNA

- jedná se o enzymatický proces - průběh je závislý na katalytickém působení enzymu RNA-polymeráza

- při transkripci se tvoří m-RNA

- dochází nejprve k rozvolnění dvoušroubovicovité struktury DNA a to v místě, které se nazývá promotor

- RNA-polymeráza začíná právě v tomto místě - musí najít gen = pomocí δ-faktoru, na jehož začátku jsou specifické báze = promotor

- rozplete DNA a k jednomu jeho vláknu začne syntetizovat komplementární řetězec RNA a to pouze ve směru 5´- 3´

- nové kompl.vlákno RNA se odděluje od DNA vlákna, nezůstane spojeno s templátem

- RNA-polymeráza používá ribonukleotid trifosfáty

- transkripce končí u terminátoru: místo, kde se RNA od DNA odpojí a ta se znovu zplete

- vznikne vlákno m-RNA : nese v sobě komplementární přepis genetické informace úseku molekuly DNA mezi určitým promotorem a příslušným terminátorem

transkripce u prokaryot

- m-RNA je hotová, nasedají na ní ribozomy

- translace začíná již před odpojením RNA od DNA

transkripce u eukaryot

- nejdříve musí dojít k úpravám m-RNA → po transkripci se nazývá primární transkript

(hn-RNA - heterogenní nukleární transkript)

úpravy: na 5´konci se přidá čepička (methylquanosin)

: na 3´konci se přidá několik nukleotidů, které na sobě mají antény = polyadenizace

- aby buňka poznala svojí RNA, aby jí např. nerozložila

: sestřih (splicing)

- m-RNA obsahuje úseky: exony- kódují, obsahují v sobě pořadí AMK

: intorny- oblasti, které nic nekódují

- introny se odstřihnou a exony se slepí dohromady

mechanismus sestřihu: snRNP (ribonukleoproteinová částice) obsahuje RNA, rozpozná exon a intron..intron odstřihne a exony slepí dohromady

- přesnost sestřihu = určitá bílkovina

alternativní sestřih: sestřih probíhá jinak, po sestřihu se RNA transportuje do cytoplasmy

: svaly, mozek, fibroblasty…

• Translace

- přepis genetického kódu, obsaženého v m-RNA , do pořadí AK = do molekul bílkovin

- děj probíhá v cytoplasmě a účastní se ho kromě m-RNA i ribozomy, aktivované t-RNA, enzymy

- v každé m-RNA je genetický kód a v něm triplet nukleotidů = kodon (=každý kodon kóduje jednu AK)

- genetický kód je degenerovaný = jednu AK může kódovat více kodonů, je univerzální = stálé pořadí trojice bází

stavba ribozomu - útvary tvořené ribonukleoproteinovým komplexem

- jsou složené ze dvou podjednotek: malá a velká

- obsahuje r-RNA, bílkovny

t-RNA

- navazují se na ní AK = přenáší je na ribozomy

- dokáže přečíst genetický kód v m-RNA

stavba:

- „trojlístek“ - jedno vlákno, komplementární úseky jsou spojeny vodíkovými vazbami

3 hl.smyčky:

• D-smyčka

• T-smyčka

• antikodonová - obsahuje antikodon → triplet bází, které jsou komplementární ke kodonu

v m-RNA

- jedna AK je přenášena na m-RNA pomocí více t-RNA a je navázaná na 3´konci = makroergická vazba (hodně energie)

- do polypeptidových řetězců bílkovin se začleňuje 20 různých AK tzn., že každý organismus musí mít k dispozici nejméně 20 různých typů molekul t-RNA a dvacet různých typů aminoacyl-tRNA syntetáz

- enzym aminoacyl-tRNA-syntetáza katalizuje spojení jednotlivých specifických typů tRNA s odpovídajícími AK - rozpozná, kterou AK ke které molekule t-RNA

- AK+t-RNA vytvoří chem. vazbu za spotřeby energie 2ATP = aminoacyl tRNA

r-RNA

- podílí se na vzniku ribozomů

připojení mRNA na ribozomy:

- na ribozomy se navazuje mRNA vždy 5´koncem své molekuly

- vše se odehrává na malé podjednotce ribozomu

- ribozom se po navázené molekule mRNA posunuje ve směru 5´-3´konec a na 5´konec se napojují další ribozomy

vazebná místa ribozomů
- při posouvání se mRNA se dostává na každém ribozomu do kontaktu se dvěma vazebnými místy - odpovídají kodonu v mRNA

- v těchto vazebných místech dochází k připojování AK a k jejich spojování do polypept. řetězce

- místo A, místo E, místo P

průběh translace:

• iniciace

• elongace

• terminace

INICIACE

- napojení molekuly mRNA na ribozom ještě není podnětem pro zahájení translace

- na malou podjednotku se naváže iniciační tRNA, která má navázán methionin = proběhne v P-místě

- tento vzniklý komplex se naváže na 5´konec mRNA a pohybuje se ve směru 3´konec než narazí na iniciační kodon (AUG), tRNA obsahuje antikodon UAC

- místo A je iniciační → malá podjednotka popojíždí po mRNA, narazí na iniciační kodon

- od malé podjednotky se odštěpí iniciační faktory (bílkoviny) a tím umožní navázání velké podjednotky

ELONGACE

- pohybem ribozomu po molekule mRNA se do A-místa dostane kodon molekuly mRNA

- to je signálem pro připojení dalšího komplexu aminoacyl-tRNA s odpovídajícím antikodonem = tzn.,že na ribozomu jsou nyní vedle sebe připojeny dva komplexy amonoacyl-tRNA

- AK těchto komplexů mezi sebou vytvoří peptidovou vazbu (karboxylová skupina iniciační AK s aminoskupinou následující AK)

- se vznikem peptidové vazby se ruší vazba iniciační AK na tRNA - uvolňuje se z ribozomu

- vazebné P-místo je tedy volné, zatímco v A-místě ribozómu je připojen komplex tvořený molekulou tRNA a dvojicí vzájemně spojených AK (dipeptid)

- dalším pohybem ribozómu po mRNA se kodon s připojeným koplexem tRNA-dipeptid přesune do P-místa

- do A-místa se dostává nejbližší následující kodon, k němuž se připojuje další komplex aminoacyl-tRNA s odpovídajícím antikodonem

- mezi sousedícími AK se opět vytvoří peptidová vazba a dipeptid se napojí na tento další komplex aminoacyl-tRNA = vzniká tripeptid

- volná tRNA, na níž byl dipeptid původně připojen, se z ribozómu uvolňuje a celý proces se opakuje

- všechny aminoacyl-tRNA musí, dříve než vstoupí do P-místa, projít A-místem s vyjímkou iniciační tRNA, která přímo vstupuje do P-místa

- děj, kdy vzniká peptidová vazba je endergonický (energie se spotřebovává) - energie * při odštěpování řetězce od původní t-RNA

TERMINACE

- připojování stále dalších a dalších komplexů aminoacyl-tRNA a narůstání peptidového řetězce pokračuje tak dlouho, až se do A-místa ribozomu dostane tripletová oblast mRNA, která svým nukleotidovým složením odpovídá některému z teminačních kodonů = UAG

- pro tyto kodony neexistuje žádný odpovídající typ tRNA s komplementárním antikodonem

- když se dostane do A-místa, tak se na něj naváže terminační faktor, který způsobí jeho rozštěpení - reaguje s vodou a tím se odstřihne polypeptid a celý komplex se rozpadne

- všechny ty AK se napojovaly ve směru N - C konec (dáno strukturou methioninu)

= při transkripci a translaci vznikají chyby častěji než při replikaci - vznikne chybná bílkovina, která je rozpoznána jinými bílkovinami - je označena proteinem obikvitinem a dostane se do protozomů - organela, ve které se rozloží na peptidy až AK

rozdíly mezi transkripcí a replikací:

• při replikaci jsou možné opravy

• při replikaci vznikají 2 nové molekuly DNA

• jiné enzymy

• při replikaci celá DNA, při transkripci jen část

Uspořádání genů

• GEN: část molekuly DNA, která se přepisuje do RNA

→ strukturní gen - přepisuje se do RNA

- obsahuje info o primární struktuře polyprot.řetězců

- produkuje bílkoviny

→ geny pro RNA - obsahují genetickou informaci o primární struktuře tRNA a rRNA

→ regulační geny - začátky genů

• ALELA: forma výskytu genu, jeho konkrétní forma

: nefunkční alely vznikají např. mutací, malými změnami v genu

: přepisem alel * isobílkoviny

• LOKUS: místo v chromozomu DNA, ve kterém se nachází gen

Geny u eukaryot a prokaryot

Prokaryota

• jednoduché geny, RNA se nemusí upravovat

• v mRNA může být uloženo více genů x u eukaryot není

• DNA má genovou fci

Eukaryota

• pouze 10% DNA má fci genu, zbytek má fci regulační nebo neznámou

• „opakující se sekvence“: v těchto sekvencích je DNA charakteristická pro každého jedince (použití při otiscích prstů)

• „mezerníky“: úseky mezi geny

• genová část DNA: exony a introny

• GENOM: soubor DNA v organismu (v jádře, plastidech, mitochondriích..)

• GENOTYP: soubor všech genů, které má organismus k dispozici pro zajištění svých

životních fcí

: konkrétní kombinace alel v daném organismu

• FENOTYP: konkrétní projev genotypu (pozorované znaky a vlastnosti organismů)

: činností genotypu vzniká fenotyp, genotyp + prostředí = fenotyp

: fenotyp ovlivňuje vnější prostředí - proto jedinci téhož genotypu mají

rozdílný fenotyp

Znaky:

⇒ kvalitativní: nedají se měřit (barva vlasů, krevní skup.)

: monogenní - ovlivňuje jeden gen

⇒ kvantitativní: dají se měřit (výška, váha..)

: polygenní - ovlivněny více geny

- párové založení dědičných vlastností dává možnost vzniku různých kombinací rozdílných alel a téhož genu

Homozygot: tatáž vlastnost je geneticky podmíněna párem funkčně shodných alel

Heterozygot: --- funkčně rozdílných alel

vztahy mezi alelami:

dominance a recesivita

- fenotypový projev dané vlastnosti u heterozygótního organismu závisí na tom, jaký je mezi rozdílnými alelami téhož genu vztah - nejčastěji funkce jedné z alel převládá = dominantní alela a překrývá tak ve fenotypu projev druhé alely = dominance a recesivita

1. úplná dominance - jedna alela ovlivňuje znak = dominantní (A), potlačí projev recesivní

alely (a)

- př. A-červený květ + a-bílý = červený květ

• AA: homozygótní genotyp - dominantní (červená)

• Aa: heterozygótní genotyp (červená)

• aa: homozygótní genotyp - recesivní (bílá)

2. neúplná dominance - R: červené, r: bílé zbarvení

• RR: červený homozygot

• rr: bílý homozygot

• Rr: kombinace..růžový?

- jsou rovnocenný, oba homozygóti se podílejí na barvě květů

3. kodominance - jedná se o situaci, kdy žádná z rozdílných alel v heterozygótním

genotypu není dominantní a ve fenotypu se projevuje funkce obou alel

nezávisle na sobě

• krevní skupiny: A B 0 - k tomu geny I^A I^B i

• 4 skupiny: A = I^A I^A , I^A i úplná dominanc

B = I^B I^B , I^B i úplná dominance

AB = I^A I^B př.kodominance - obě se projeví stejnou měrou

0 = i i recesivní homozygot

1

7

---