Centrální dogma molekulární biologie
Nukleové kyseliny DNA
1865 zákony dědičnosti (Johann Gregor Mendel)
Transkripce
RNA
Translace
Protein
Replikace
1869 objev nukleových kyselin (Miescher) 1944 nukleové kyseliny obsahují geneticko informaci
Složení nukleových kyselin
Nukleové kyseliny • polynukleotidy
nukleové kyseliny
DNA
RNA
deoxyribonukleové
ribonukleové
(angl. nucleic acid, NA)
člověk
bakterie
3 · 109 párů nukleotidů
Tři složky:
23 chromosomů v haploidní buňce
• pentosa
2-deoxyribosa
ribosa
• dusíkaté báze
A, G, C
A, G, C
T
U
cca 2
· 106 párů nukleotidů • kyselina fosforečná
Genetická informace • je obsažena v DNA (u
virů též v RNA) v
pořadí
deoxyribonukleotidů:
Gen a genom Gen • základní jednotka genetické informace
– deoxyadenylát (A) – deoxyguanylát (G)
Strukturní gen
– deoxycytidylát (C)
• úsek DNA, který obsahuje informace o syntéze jednoho druhu proteinu
– thymidylát (T)
• triplety nukleotidů dublety nukleotidů
43 = 64 možností pro 20 AK 42 = 16 možností nedostatečné pro 20 AK
Genom • soubor všech genů (u člověka asi
genů)
1
Lineární řetězec polynukleotidů
Struktura genu
NH2 N
5´
Exon 1
Exon 2
Intron 1
Intron 2
Exon 3
Intron 3
Exon 4
3´
5´-konec
O O
_ O
CH 2
_
O NH2
Nekódující oblasti
Regulační oblast
N
5´
P O
N N
N O
Kódující oblasti
O
3´,5´-fosfodiesterová vazba
P
H O
N
O
CH 2
O
_O
3´ O
báze
3´-konec
Párování bází
5´-konec
P
H
báze pentosa P
báze
pentosa P
pentosa báze P pentosa
3´-konec ADENIN
P
Párování bází
THYMIN
Primární struktura DNA - sekvence bází v polynukleotidovém řetězci ve směru od …´-konce k …´-konci
- genetická informace zakódovaná v podobě tripletů bází 5´
GUANIN
CYTOSIN
··· −ACG−TTA−GCT− ··· 3´
2
Sekundární struktura DNA
5’
3’
Charakteristika DNA
• dvouvláknová pravotočivá šroubovice
• u eukaryontů převážně v jádře
• 2 komplementární řetězce
(v mitochondriích cca 1 %)
párování bází (A=T, G≡C)
• molekuly DNA asociovány s proteiny (histony)
(poměr A/T = 1, G/C = 1)
10 párů bází / otáčku (u B-formy DNA)
(do kondenzované formy chromatinu)
• antiparalelní orientace řetězců
• při dělení buněk probíhá současně replikace DNA
fosfátové skupiny (-) směřují vně helixu
tj. přenos genetické informace
deoxyribosy paralelně s osou helixu báze vodorovně nad sebou uvnitř helixu
5’
3’
Replikace • proces vytvoření nového vlákna DNA komplementárního k původnímu vláknu DNA • pravidlo o párování bází (A – T, G – C) • probíhá v jádře • probíhá pouze během S-fáze buněčného cyklu • katalyzuje DNA-polymerasa
Komplementární řetězce P
P deoxyribosa
T
A
deoxyribosa
deoxyribosa
A
T
deoxyribosa
deoxyribosa
G
C
deoxyribosa
deoxyribosa
C
G
deoxyribosa
deoxyribosa
G
C
deoxyribosa
P
P
P
P
P
P
P
Ribonukleové kyseliny • obvykle jednovláknové, kratší než DNA
P
Mediátorové RNA
mRNA
• vznikají v jádře transkripcí DNA
• přenáší genetickou informaci z DNA na místo syntézy bílkovin – ribozomy
• některé působí jako enzym (mají katalytickou aktivitu)
• proteosyntéza začíná translací mRNA od 5´-konce
Základní typy RNA • Mediátorová (messenger, informační) - mRNA • Transferová (přenosová) - tRNA • Ribosomální - rRNA
• transkripcí DNA v jádře vznikají tzv. heterogenní jaderné RNA, hnRNA (prekurzory mRNA) • hnRNA obsahují kódující oblasti (exony) oddělené sekvencemi nukleotidů (introny)
• po úpravě hnRNA v jádře vstupují do cytoplazmy nativní mRNA (pouze spojené exony)
3
Kodon
Transkripce
• sekvence 3 nukleotidů (triplet) v mRNA
• přepis genetické informace z DNA do RNA
• každá AK má svůj kodon
• probíhá v jádře
(párování A – U, G – C, C – G, T – A)
64 kódujících tripletů:
• je katalyzována RNA-polymerasou
61 kodonů - pro 20 (+ 1) kódovaných AK -A–C–G–T–A–G–G-
3 kodony nesmyslné – slouží např. jako terminační signály
- U – G – C – A – U – C – C - mRNA
– některé AK jsou kódované více kodony
DNA
kodon -T–G–C–A–T–C–C-
(genetický kód je degenerovaný)
Transferové RNA
templátový řetězec
tRNA
kódující řetězec
Sekundární struktura tRNA v rovině CCA konec
tvar jetelového trojlístku
-OH
•
přenáší AK na místo syntézy proteinů a
vazba aminokyseliny
zařazují je do polypeptidového řetězce •
(esterovou vazbou přes 3’-OH skupinu na adenosin)
tRNA jsou specifické pro jednotlivé AK Terciární struktura
(je jich minimálně tolik druhů, kolik je AK) •
- konformace v prostoru připomíná písmeno L
tRNA se aktivuje po navázání dané AK
antikodon = 7 nukleotidů rozeznávající kodon v mRNA
Ribosomové RNA
Translace
rRNA
• strukturální součást ribozomů (nukleoproteinů) • nejrozšířenější typ RNA v buňce (80 % všech RNA)
• 2 vazebná místa pro aktivované tRNA
• informace uložená v mRNA (pořadí kodonů) se překládá do molekuly proteinu (pořadí AK) • translace začíná od 5´-konce mRNA za vzniku N-konce řetězce proteinu
• vazebné místo P • vazebné místo A
• 1 vazebné místo pro mRNA
• syntéza proteinů (proteosyntéza) – probíhá v cytoplazmě na ribozomech (ribozomy většinou vázáné na ER, méně volné)
4
Průběh translace
Průběh translace
antikodon |||
ribozom
ribozom
ribozom
peptidyl-tRNA kodon
P
||| |||
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
Průběh translace ribozom
ribozom
kodon |||
P
||| |||
kodon
mRNA A
P
||| |||
mRNA
|||
Tři fáze katabolismu
A
Katabolismus živin až na CO2 + H2O přesun peptidyl-tRNA do místa P
|||
navázání další aminoacyl-tRNA do místa A
Proteiny proteolýza
I. fáze
Aminokyseliny
Glykogen
Tuky
glykogenolýza
Glukosa
lipolýza
glykolýza
II. fáze
Acetyl-CoA III. fáze H2O
• lokalizován v matrix mitochondrií
ATP
Pyruvát
laktát
β-oxidace
NADH + H+ FADH2
• 4 dehydrogenační reakce: – vznik 3 NADH a 1 FADH2 • 2 dekarboxylační reakce:
O2 3 NADH + 3 H+ dýchací řetězec
ATP
Citrátový cyklus
Mastné kyseliny
FADH2
ADP + Pi
Citrátový cyklus
CO2 CO2
– acetyl-CoA je oxidován na 2 CO2 • vznik 1 ATP (GTP)
ATP
aerobní fosforylace
5
Průběh citrátového (Krebsova) cyklu Zisk v citrátovém cyklu: přímo …. ATP
glukosa (C6)
za aerobních podmínek
v cytoplazmě
acetyl-CoA
ATP
glukosa-6-fosfát (C6)
C2
oxalacetát
nepřímo celkem …. ATP
Glykolýza
Zisk: … ATP
C4
malát
ATP
2 triosa-fosfát (C3)
citrát
C4
C6
2 NAD+
3 NADH + 3 H+ fumarát C4
4 ATP 2 NADH + H+
FADH2
CO2
2 pyruvát (C3)
2-oxoglutarát C5
sukcinát C4
Zisk v citrátovém cyklu:
CO2
2 NADH + H+
2 acetyl-CoA (C2)
Glykolýza u kvasinek ethanolové kvašení
Glykolýza za anaerobních podmínek
glukosa (C6)
glukosa (C6)
(v buňkách bez mitochondrií, např. ……………………..);
ATP
glukosa-6-fosfát (C6)
(při nedostatečném přísunu O2, např. ………………………………..)
ATP
Zisk: ….. ATP
oxidační dekarboxylace
………….. ATP
ATP
za anaerobních podmínek
2 NAD+
2 CO2
2 CoA
ATP
glukosa-6-fosfát (C6) ATP
2 triosa-fosfát (C3)
2 CH3CH2OH
2 triosa-fosfát (C3)
mléčné kvašení
2 NAD+ 4 ATP
2 NAD+
recyklace NAD+
4 ATP
Zisk: ….. ATP
2 NADH + H+
X
2 pyruvát (C3)
recyklace NAD+ 2 NADH + H+
2 laktát
2 pyruvát (C3)
2 CH3CHO 2 CO2
acetyl-CoA (C2)
Katabolismus mastných kyselin
acetyl-CoA (C2)
C6
dehydrogenace
• v matrix mitochondrie
C6
hydratace OH C6
β
COSCoA
dehydrogenace
• vznikající acetyl-CoA → citrátový cyklus • vznikající NADH a FADH2 → dýchací řetězec
O β
C6
COSCoA
štěpení vazby C4
FADH2
enoyl-CoA
COSCoA
• aktivace R-COOH vazbou na koenzym A • opakující se β-oxidace = sekvence 4 reakcí
acyl-CoA
COSCoA
+
C2
H2O
β-hydroxyacyl-CoA NADH
β-oxoacyl-CoA HS-CoA
acyl-CoA + acetyl-CoA
6
