Centrální dogma molekulární biologie

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Centrální dogma molekulární biologie

Nukleové kyseliny DNA

1865 zákony dědičnosti (Johann Gregor Mendel) 1869 objev nukleových kyselin (Miescher)

Transkripce

RNA

Translace

Protein

Replikace

1944 genetická informace v nukleových kyselinách 1953 model DNA (Watson, Crick) 2003 rozluštěn lidský genom

Složení nukleových kyselin

Nukleové kyseliny • polymery nukleotidů = polynukleotidy člověk

3 · 109 bp (párů nukleotidů) 23 chromosomů

bakterie

cca

2 · 106 bp

v haploidní buňce

DNA nukleové kyseliny

deoxyribonukleové

RNA ribonukleové

(angl. nucleic acid, NA)

Tři složky: • pentosa

2-deoxyribosa

ribosa

• purinové báze

A, G

A, G

• pyrimidinové báze

T, C

U, C

P

P

• kyselina fosforečná

1

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Genetická informace • je obsažena v DNA

Gen

(u virů též v RNA)

• základní jednotka genetické informace • konkrétní úsek DNA

v pořadí

deoxyribonukleotidů:

Strukturní gen

– deoxyadenylát (dA)

– úsek DNA, který obsahuje informace o sekvenci aminokyselin daného proteinu

– deoxyguanylát d lát (dG) – deoxycytidylát (dC)

Regulační gen

– thymidylát (T)

triplety 4 nukleotidů

Gen pro RNA

Genom

Struktura eukaryotního genu

• soubor všech genů a nekódujících sekvencí 5´

Exon 1

Intron 1

Nekódující oblasti

Regulační oblast Kódující oblasti

Exon 2

Intron 2

Exon 3

Intron 3

Exon 4

3´

• 23 párů chromosomů v diploidní buňce ý organelách g • DNA v jjádře + buněčných

• Lidský genom

20 000–25 000 protein-kódujících genů

2

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Lineární řetězec polynukleotidu

Dinukleotid NH2

báze

N O O

_

N

P

N

5´

P O

N

O

CH 2

_

O NH2

3´ N

O O

P O

báze pentosa

O

5´

CH 2

_

O

N

P pentosa P

O

pentosa

3´

P

OH

Párování bází

báze

Párování bází

3

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Primární struktura DNA

2 nm

Sekundární struktura DNA

5’

3’

• dvouvláknová pravotočivá šroubovice • sekvence bází v polynukleotidovém řetězci

• 2 komplementární řetězce

ve směru od 5’-konce k 3’-konci • genetická informace zakódovaná v podobě

3,4 nm

tripletů bází 5’

• antiparalelní orientace řetězců

··· −ACG−TTA−GCT− ··· 3’

fosfátové skupiny (-) směřují vně helixu deoxyribosy paralelně s osou helixu báze vodorovně nad sebou uvnitř helixu

Charakteristika DNA

5’

3’

Chromatin

• u eukaryontů převážně v jádře Histon Histony

• molekuly l k l DNA asociovány á s proteiny (histony)

Histony DNA

Nukleosom

• při dělení buněk probíhá současně replikace DNA

4

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Replikace

Komplementární řetězce P

• proces vytvoření nového vlákna DNA

deoxyribosa

komplementárního k původnímu vláknu DNA

P

• pravidlo o párování bází (A – T, G – C)

• pouze během S-fáze buněčného cyklu

A

deoxyribosa

deoxyribosa

G

deoxyribosa

P

P

P

P deoxyribosa

• vznikají v jádře transkripcí DNA

P

deoxyribosa

deoxyribosa

• obvykle jednovláknové, kratší než DNA

P deoxyribosa

P

• probíhá v jádře

Ribonukleové kyseliny

T

C G

deoxyribosa

P deoxyribosa

Mediátorové RNA

mRNA

• přenos genetické informace z DNA na místo syntézy bílkovin – ribozomy • transkripcí DNA v jádře vznikají tzv tzv. heterogenní

Základní typy RNA

jaderné RNA (hnRNA), pre-mRNA

• Mediátorová (messenger, informační) - mRNA • Transferová (přenosová) - tRNA • Ribosomální - rRNA

DNA pre-RNA

5

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Vznik mRNA z pre-mRNA sestřihem (splicing)

Kodon / Triplet • sekvence 3 nukleotidů v DNA / mRNA • každá AK má svůj kodon

pre-RNA

mRNA

– některé AK jsou kódované více kodony – každý kodon je jednoznačný

Transkripce

Transferové RNA

• přepis genetické informace z DNA do RNA

•

tRNA

přenáší AK na místo syntézy proteinů a zařazují je do polypeptidového řetězce

• probíhá v jádře •

tRNA jsou specifické pro jednotlivé AK

-A–C–G–T–A–G–GDNA -T–G–C–A–T–C–C-

6

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Sekundární struktura tRNA v rovině

Aminoacyl-tRNA

(aktivovaná tRNA)

tvar jetelového trojlístku Esterová vazba

Terciární struktura tRNA

0 Jaké bude pořadí nukleotidů v NA odpovídající mRNA kodonu UGA?

• kodon (DNA) • antikodon (tRNA) • templátový řetězec DNA • kódující řetězec DNA

7

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Ribosomové RNA

rRNA

• strukturální součást ribozomů

Translace • informace uložená v mRNA (pořadí kodonů) se

• nejrozšířenější typ RNA v buňce

překládá do molekuly proteinu (pořadí AK) • translace začíná od 55’-konce konce mRNA za vzniku N N-konce konce

• 2 vazebná místa pro aktivované tRNA

řetězce proteinu

• syntéza proteinů (proteosyntéza)

• vazebné místo P • vazebné místo A

• 1 vazebné místo pro mRNA

Průběh translace

Průběh translace antikodon |||

ribozom

ribozom

ribozom

peptidyl-tRNA

P

||| |||

kodon

kodon

mRNA

|||

peptid vázaný na RNA

A

P

||| |||

||| |||

kodon

mRNA

|||

A

P

||| |||

mRNA A

||| |||

vazba do místa A

aminoacyl-tRNA

vznik peptidové vazby elongace peptidu

aminokyselina vázaná na RNA uvolnění volné tRNA z místa P

8

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Průběh translace ribozom

ribozom

kodon |||

P

||| |||

kodon

mRNA A

P

||| |||

mRNA

|||

Tři fáze katabolismu

A

přesun peptidyl-tRNA do místa P

|||

navázání další aminoacyl-tRNA do místa A

Proteiny proteolýza

Aminokyseliny

Glykogen

Tuky

glykogenolýza

Glukosa

lipolýza

Mastné kyseliny ATP

laktát

β-Oxidace

Glykolýza

Mastná kyselina ↓ (n+1) AcetylCoA + n NADH +

glykolýza

Pyruvát

Katabolismus živin

n

FADH2

Glukosa ↓

β-oxidace

Oxidační dekarboxylace

A t l C A Acetyl-CoA

NADH + H+ FADH2

Dýchací řetězec

O2 H2O

3 NADH + 3 H+ dýchací řetězec

ATP

Pyruvát ↓

FADH2

ADP + Pi

Citrátový cyklus

CO2 CO2

ATP

NADH + H+ + ½O2 → H2O + NAD+ → 3 ATP FADH2 + ½O2 → H2O + FAD → 2 ATP

Aerobní fosforylace

Citrátový cyklus AcetylCoA ↓

aerobní fosforylace

9

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Glykolýza

glukosa (C6)

za aerobních podmínek

ATP

glukosa-6-fosfát (C6) ATP

Glykolýza

2 triosa-fosfát (C3) 2 NAD+ 4 ATP

Katabolismus glukosy

2 NADH + H+

2 pyruvát (C3) 2 CoA

2 NAD+

2 CO2 2 NADH + H+

2 acetyl-CoA (C2)

Glykolýza

za anaerobních podmínek

Glykolýza

za anaerobních podmínek

glukosa (C6) ATP

glukosa (C6) ATP

glukosa-6-fosfát (C6)

glukosa-6-fosfát (C6)

ATP

ATP

2 triosa triosa-fosfát fosfát (C3)

2 CH3CH2OH

2 triosa triosa-fosfát fosfát (C3) 2 NAD+

2 NAD+ 4 ATP

4 ATP 2 NADH + H+

2 pyruvát (C3)

2 NADH + H+

2 CH3CHO

2 pyruvát (C3)

2 laktát

2 CO2

10

Přípravný kurz LF MU 2011/12

Citrátový cyklus

Průběh citrátového cyklu acetyl-CoA

• 4 dehydrogenační reakce: – vznik 3 NADH a 1 FADH2

C2

oxalacetát C4 malát

• 2 dekarboxylační reakce:

citrát

C4

C6 3 NADH + 3 H+

– acetyl-CoA je oxidován na 2 CO2

fumarát C4

• vznik 1 ATP (GTP)

FADH2

CO2 2-oxoglutarát C5

sukcinát C4

CO2

ATP

Katabolismus mastných kyselin

C6

• aktivace acylu vazbou na koenzym A

C6

acyl-CoA

COSCoA FADH2

H 2O

• opakující se β-oxidace • vznikající acetyl-CoA

OH C6

COSCoA

C6

………………………..yl ..yl-CoA CoA NADH

O

• vznikající NADH a FADH2

………………..yl-CoA

COSCoA

COSCoA

………………………..yl-CoA HS-CoA

C4

+ C2

acyl-CoA + acetyl-CoA

11