Mgr. Zbyněk Houdek
Doporučená lit.:
Alberts, B. a kol.: Základy buněčné biologie (1998) Kočárek, E.: Genetika (2008) Kubišta, V.: Buněčné základy životních dějů (1998) Otová, B. a kol.: Lékařská biologie a genetika (I. díl – 2008) Reischig, J.: Genetická praktika (1989) Reischig, J.: Obecná genetika. Praktická cvičení (2003) Pritchard, D., J. & Korf, B., J.: Základy lékařské genetiky (2007) Rosypal, S.: Úvod do molekulární biologie (2003) Rosypal, S. a kol.: Nový přehled biologie (2003) Řehout, V. a kol.: Genetika I.-II. (2000, 2005)
Genetická informace Genetická informace je obsažena
ve sledu (pořadí) nukleotidů (nukleotidových sekvencí určitých funkčních typů NK). Každý jedinec má určitou dědičnou neboli genetickou informaci.
Dědičnost x proměnlivost Neboli heredita je schopnost organismů vytvářet potomky se stejnými nebo podobnými znaky. Je to jedna ze základních vlastností organismů. Proměnlivost (variabilita) – vzájemná odlišnost jedinců jednoho druhu, popř. jejich rozdílná schopnost reagovat na podmínky vnějšího prostředí. Je podmíněna působením vnějšího prostředí a genetickými vlivy.
Gen Základní jednotka genetické funkce (g. informace) vyznačující se fenotypovým projevem. Formy genu: úsek DNA- nebo RNA- řetězce (jen u RNAvirů), který kóduje primární strukturu polypeptidu jako translačního produktu (strukturní gen). Jako úsek DNA-řetězce přepisovaný do primární struktury tRNA, a dalších druhů RNA, které nejsou určeny k translaci. Jako úsek DNA- nebo RNA-řetězce plnící regulační fci, který je rozeznáván specifickým proteinem signalizujícím zahájení nebo zastavení určitého molekulárního děje (např. transkripce nebo translace).
Genom, genotyp, fenotyp Genom – soubor genů v buňce. Plazmon – soubor genů uležených v b. mimo jádro. Genotyp – soubor genů v celém org. Genofond – soubor genů v celé populaci org. Fenotyp – vyjádření genotypu v určitém prostředí. Chromozóm (y) – jsou nositelé genů (komplexy DNA a bílkovin-histonů) pozorovatelné v jádře během buněčného dělení.
Lokus, alela Lokus je místo na chromozómu, kde se nachází určitý gen. Alela – varianta genu o určité unikátní nukleotidové sekvenci. Gen může existovat ve formě 1 až mnoha různých alel. Homologní chromozómy – jsou přítomny v somatické b. v páru (diploidní). Dominantní a. svou funkcí potlačuje projev jiné recesivní a. téhož genu. Standardní a. je alela genu převládající v přírodní populaci. Mutantní a. je alela změněná mutací.
Historie genetiky • Název vědy je odvozen od latinského genus (rod) a byl zaveden v r. 1906 britským vědcem W. Batesonem. • Počátky genetiky jsou však mnohem starší a můžeme je hledat ve starověku a středověku společně s pěstováním a chováním zvířat, které lidé různě křížili, aby získali jejich potřebné vlastnosti. • Neuměli však vysvětlit proč se některé znaky dědí z rodičů na potomky. • 1809 – J. B. Lamarck zformuloval tuto evoluční teorii tak, že tato dědičnost získaných vlastností je podle Lamarca základní podstatou vývoje všech org. • 1859 – Ch. Darwin vyslovil teorii přírodního výběru: • Variabilita potomstva je nezbytnou podmínkou k selekci jedinců s
vhodnými vlastnostmi.
Johan Gregor Mendel (1822-84) • Jeho práce publikovaná v 1865 v brněnském přírodovědeckém časopise shrnovala výsledky hybridizačních pokusů formulovaných do základních pravidel a zákonitostí. • Zvolil pro své pokusy správný objekt – hrách (vybral si vždy 2 stálé znaky – barva a tvar semen, barva a tvar lusků, barva květu, pozice květů a lusků, velikost rostlin), který je samosprašný. • Bohužel jeho správné závěry zůstaly nepochopeny a bez povšimnutí skoro ½ století. • Byly znovuobjeveny a uznány až na počátku 20. st. vědci: Hugo de Vris, Carl Coerens a Erik von Tschermak (1905).
Objevy 1. poloviny 20. st. • V r. 1912 vyslovil Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945) teorii o uspořádání genů v chromozómech. • Geny jsou zde uspořádány lineárně za sebou a pravděpodobnost jejich rekombinace závisí na jejich vzájemné vzdálenosti. • Dalším zlomem v genetice bylo objevení nukleových kyselin a jejich chemická identifikace (O. T. Avery 1944).
Struktura molekul NK • Byla objevena v r. 1953 H. C. Crickem a J.D. Watsonem. • 1963 – H. Noll, T. Staehelin, F. O. Wettstein – popisuje syntézu bílkovin. • H. G. Khorana (1970) syntetizoval celý gen. • 1973 – H. Boyer, S. Cohen – vytvoření in vitro rekombinovaných plazmidů (možnost cíleného ovlivnění dědičnosti) • 1983 – K. B. Mulis objevil princip polymerázové řetězové reakce (PCR).
Projekt lidského genomu • 1988 – vzniká organizace pro mapování a sekvencování lidského genomu HUGO (Human Genom Organisation). Projekt lidského genomu (the Human Genome Project) je konsorciem na mezinárodní úrovni, které je podporováno americkými Národními ústavy zdraví a filantropickou nadací Wellcome Trust, která vznikla v Londýně. Společnost Celera Genomics Inc. je soukromá společnost v Rockville v Marylandu. Cílem projektu bylo: identifikovat více než 100,000 genů lidské DNA na molekulární úrovni určit pořadí asi 3 miliard chemických bází, které tvoří lidskou DNA uložit získané informace do databází - vyvinout rychlejší a výkonnější
metody sekvencování vyvinout nástroje pro analýzu získaných dat o lidském genomu zabývat se etickými, právními a sociálními otázkami
Nukleotidy A-T
Slouží k uložení biologické informace, protože jsou stavebními bloky NK. Mohou zastávat úlohu krátkodobých přenašečů chemické energie – ATP (adenosintrifosfát). Skládají se z kruhu N (báze) a z cukru (deoxyribosy nebo ribosy), který na sebe váže jednu nebo více fosfátových skupin. Vazby mezi fosfátovými skupinami jsou makroergické – jejich hydrolýzou se uvolňuje velké množství energie.
Glykozidové vazby a polynukleotidový řetězec Nukleotidy jsou navzájem spojeny 3´,5´-
fosfodiesterovou vazbou (C3´- pentózy=3´konec, OH skupina s C´5 – pentózy=5´konec, fosfátová skupina) mezi 2 nukleotidy polynukleotidy. Párování bází mezi DNA-řetězci – pomocí vodíkových vazeb mezi 2 DNA řetězci (duplex). Watsonovo-Crickovo párování bází: vodíkové vazby mezi adeninem a tyminem (2 – RNA – uracil); guanin s cytosinem (3) komplementární. Chargaffova pravidla – molární množství A a T je shodné, což platí i pro G a C (A+G = C+T); (A+G) / (C+T) =1. Dále existuje párování bází: C-C, G-G, A-A, T-T. Nukleotidy se mohou vázat do 3-jic (triády) a 4-ic (tetrády).
Sekundární struktura DNA Dvoušroubovice – 2 polynukleotidy ovíjejí společnou osu – řetězce jsou komplementární. 1 závit – 10,5 párů bází (bp = 3,4 nm). Oba řetězce jsou navzájem antiparalelní: fosfodiesterové vazby 3´ 5´na jednom řetězci a 5´ 3´na druhém řetězci. Dvoušroubovice není hladká, ale obsahuje 2 žlábky – menší (0,6 nm a větší 1,2 nm). Oba žlábky obsahují atomy, které vytvářejí
vazby s proteiny. DNA řetězce se kolem sebe obtáčejí – pravotočivý a levotočivý.
DNA-konformace B, AaZ DNA podobně jako proteiny zaujímá konformace, které jsou za daných podmínek energeticky nejvýhodnější. Základní konformace jsou A, B (pravotočivé) a Z (levotočivá). DNA konformace se řídí podle relativní vlhkosti: 95% - základní B konformace (tenčí a vyšší - Watson a Crick, 1953) – viry, prokaryota i eukaryota. 75% - A konformace (krátká a plochá mol.) – spory bakterií. Při vysokém obsahu solí z B-DNA Z-DNA (podlouhlá levotočivá).
Terciární struktura DNA Co to je nadšroubovice? Zavede-li se do 2šroubovicové DNA další vynutí superhelix. Pokud DNA tvoří jen primární a sekundární strukturu bez nadšroubovice, kterou dříve tvořila, pak se označuje jako relaxovaná. Kovalentně uzavřená kružnice 2-šroubovicové DNA –
nemá volné konce a může být v nadšroubovicové nebo v relaxované formě. Otevřená kružnice – relaxovaná 2-šroubovice kružnicové DNA s 1 přerušeným řetězcem. Eukaryotická DNA je připojena oběma konci na proteiny a tvoří nadšroubovicové solenoidové smyčky a může se relaxovat.
Struktura RNA Sekundární struktura RNA se vyznačuje větší rozmanitostí než DNA . Vlásenková smyčka – RNA-řetězec se spojí v komplementárních úsecích (Watsonovým-Crickovým způsobem) za vzniku nespárovaného úseku – smyčky, pak následuje spárovaný úsek – vlásenka. Výduť – na 1 straně duplexu přebývají nukleotidy, které nemají komplementární protějšek:
narušují vrstvení bází v duplexu indukují ohyb RNA snižují stabilitu duplexu.
Sekundární a terciární struktura RNA Vnitřní smyčky - není přítomno WatsonovoCrickovo párování, ale párování purin-purin či pyrimidin-pyrimidin. Dvoušroubovicové oblasti RNA – molekuly RNA vytvářejí v různých úsecích dvoušroubovicové struktury W.-C. párováním. Pseudouzly – jsou příkladem strukturních prvků terciární struktury RNA. Vznikají W.C. párováním bází mezi úsekem vnitřní smyčky a 1-řetězcovým úsekem – 2 stopky a 2 smyčkové oblasti.
Základní funkční typy RNA tRNA – trasférová (iniciátorová – 75-95 nukleotidů), která přináší do katalytického centra ribozomu aminokys. mRNA – mediátorová (messengerová), která obsahuje přenesenou informaci pro syntézu proteinu. rRNA – ribozomální (souhrný název pro více druhů rRNA), která je strukturní a funkční složkou ribozómů.
Přenos genetické informace Tento proces je zformulován v centrálním dogmatu molekulární biologie, což je postulát, který říká, že přenos je jedině možný z NK do NK nebo z NK do proteinu (Crick 1957/58). Ústřední dogma mol. bio. zásadně odmítá přenos genetické informace z proteinu do proteinu nebo z proteinu do NK.
Replikace DNA, RNA Replikace (obecně) – tvorba kopií molekul NK zajišťující přenos GI z DNA do DNA a z RNA do RNA. K existujícímu řetězci DNA (matrice, templát) se na základě komplementarity bází přikládají odpovídající nukleotidy a postupně se spojují v nový řetězec, který je komplementární k původnímu. Vznikají tedy podle staré dvoušroubovice dvě zcela identické dvoušroubovice, z nichž žádná není celá nová, ale obsahuje 1 nový a 1 starý řetězec (semikonzervativní). Tuto reakci katalyzuje enzymový komplex DNApolymeráza. Replikační komplex – replikon – molekuly DNA, které vyznačují počátek a konec replikace, specifické nukleotidové sekvence (rozeznává komplex replikačních proteinů). Replikace 1-řetězcové RNA (RNA-viry) – matrice 1 ř.RNA a k němu se tvoří komplementární RNA (přechodně 2-ř. RNA uvolnění a další replikace).
Obr. DNA replikace
Transkripce Přepisování GI z DNA do RNA jako primárního transkriptu. Zpětná transkripce – z RNADNA. Při transkripci dochází k syntéze RNA, která je komplementární k DNA (RNA-transkript nebo DNA-transkript). Rozlišujeme primární transkript, který může následně podléhat různým modifikacím (postranskripční úpravy mRNA, rRNA a tRNA). Tento přepis je katalyzován enzymovým komplexem RNA-polymerázou.
Transkripční jednotka Je vymezena startovacím nukleotidem a posledním nukleotidem v terminátoru. Startovacím nukleotidem začíná přepis transkripční jednotky (označení +1). Transkripce probíhá směrem doprava a končí včetně terminátoru (konec přepisu). Promotor (P)– regulační oblast na kterou se váží proteiny (RNA-polymeráza – zahájení transkripce terminátor (T)během procesu dochází ke spojování ribonukleotidů fosofodiesterovými vazbami).
Obr. transkripce Negativní (antikódující) DNA řetězec (-DNA) slouží jako matrice (templát) pro syntézu RNA. Pozitivní (kódující) DNA řetězec (+DNA) – je řetězec 2-ř. DNA o stejné sekvenci nukleotidů jako RNA, která je syntetizována na negativním ř. DNA.
Genetický kód a translace Překlad (translace) z RNA do proteinu se děje podle určitého kódu (každá aminokys.-3 nukleotidy – triplet, pořadí nukleotidů – kodon). Nukleotidová sekvence obsahuje informaci o primární struktuře proteinu a nazývá se kódující nukleotidová sekvence. Čtení genetického kódu (translace): Probíhá na ribozomech. „Překladatel“ z jazyka nukleotidů do jazyka aminokys. je tvořen souborem molekul tRNA, které nesou na 1 konci antikodon komplementární s příslušným kodonem mRNA a na 2. konci váže příslušnou aminokys.
Obr. translace
Genetický kód kód
význam
kód
význam
kód
význam
kód
význam
UUU
Phe
UCU
Ser
UAU
Tyr
UGU
Cys
UUC
Phe
UCC
Ser
UAC
Tyr
UGC
Cys
UUA
Leu
UCA
Ser
UAA
STOP
UGA
STOP
UUG
Leu
UCG
Ser
UAG
STOP
UGG
Trp
CUU
Leu
CCU
Pro
CAU
His
CGU
Arg
CUC
Leu
CCC
Pro
CAC
His
CGC
Arg
CUA
Leu
CCA
Pro
CAA
Gln
CGA
Arg
CUG
Leu
CCG
Pro
CAG
Gln
CGG
Arg
AUU
Ile
ACU
Thr
AAU
Asn
AGU
Ser
AUC
Ile
ACC
Thr
AAC
Asn
AGC
Ser
AUA
Ile
ACA
Thr
AAA
Lys
AGA
Arg
AUG
Met
ACG
Thr
AAG
Lys
AGG
Arg
GUU
Val
GCU
Ala
GAU
Asp
GGU
Gly
GUC
Val
GCC
Ala
GAC
Asp
GGC
Gly
GUA
Val
GCA
Ala
GAA
Glu
GGA
Gly
GUG
Val
GCG
Ala
GAG
Glu
GGG
Gly
Degenerace genetického kódu. Terminační kodony a iniciační kodon. - iniciační kodón
- terminační kodón
UGA - někdy slouží pro zařazení selenocysteinu (Sec)
Univerzální genetický kód a párování kodon-antikodon Naprostá většina kodonů je univerzálních, má u všech živých soustav stejný smysl (viz. tab., výjimkou jsou např. GK mitochondrií živočichů a hub). Párování kodon-antikodon: Watsnovo-Crickovo párování bází (A-T nebo A-U a G-C) teoreticky 61 molekulárních druhů tRNA, ale ve skutečnosti existuje 31 mol. druhů tRNA, které čtou 61 smyslných kodonů. Čtecí rámec – čtení tripletů v nukleotidové sekvenci je založeno na stanovení počátku a konce čtení (iniciační a terminační kodon-viz. tab.).
