Molekulární základy dědičnosti

- dědičnost = schopnost organismů předávat své vlastnosti formou vloh na potomky ŕ
zajišťuje zachování druhu

- biologický druh je charakterizován strukturou svých bílkovin ŕ informace o pořadí aminokyselin je uložena v primární struktuře bílkovin (trvale uložena v molekule DNA, přesněji v pořadí jejích deoxynukleotidů)

- každá genetická informace je podle univerzálního genetického kódu vepsána v primární struktuře molekuly NK (rozhodující je DNA – pouze viry, které ji neobsahují mají informace kódovány v RNA) ŕ specifická primární struktura DNA zůstává nezměněna po celý život buňky (pokud není postižena mutací))

- gen = úsek DNA, kde je zakódována kompletní informace o jednom určitém
polypeptidovém řetězci, primárně určuje strukturu enzymů
- mimo strukturních genů obsahuje DNA geny, jež nenesou informaci pro strukturu
proteinů, ale pro strukturu RNA (tRNA, rRNA) a dále sekvence mající význam pro
realizaci exprese genů č regulační (signální) sekvence :
- operátor = specifická DNA sekvence na niž se váže represor (bílkovina)
zastavující transkripci přilehlého operonu
- promotor = specifická sekvence DNA na níž se váže RNA-polymeráza
zahajující transkripci přilehlé transkripční jednotky
- replikátor = sekvence DNA na prokaryotním replikonu, na niž se váže
iniciátor
- terminátor = sekvence DNA, na níž přepis transkripční jednotky končí
(triplety UAA, UAG, UGA)

- operon = několik genů, které spolu funkčně souvisí (enzymy jedné metabolické
dráhy) ŕ mají společný promotor ŕ jsou přepisovány do jedné molekuly
mRNA = polygenní

- genetický kód = způsob zápisu genetické informace pomocí nukleotidů s bázemi:
a) purinové báze – v DNA – adenin, guanin
- v RNA – adenin, guanin
b) pyrimidinové - v DNA – cytosin, thymin
- v RNA – cytosin, uracil
- univerzální ŕ platný pro všechny organismy
- je nepřekryvný ŕ informace čtena postupně ŕ ve směru 5´ŕ3´
- vyšší jednotkou genetického kódu je kodon = sled (sekvence) tří po sobě
následujících bází v DNA a sekundárně v mRNA = triplet bází
- 1 triplet kóduje jednotku informace pro zařazení jedné specifické aminokyseliny
v řetězci ŕ specifikuje určitý kodon ŕ sekvence kodonů určuje sekvenci
aminokyselin
- triplety UAA, UAG a UGA nekódují žádnou aminokyselinu ŕ fce ukončení
translace genetické informace ŕ terminační kodony

- buněčný genom = soubor všech struktur nesoucích genovou DNA ŕ strukturami
s největším počtem genů jsou chromozomy (menší počet genů nesou
plazmidy)
- genom prokaryot je tvořen zpravidla jedním chromozomem a plazmidy
- genom eukaryot sestává s více jaderných chromozomů, mimojaderných
chromozomů (mitochondriálních, u rostl.: chloroplastových), někdy i plazmidů

- chromozomy – poprvé popsány Watsonem a Criskem + Wilkinson ŕ Nobelova cena
- prokaryotické – tvořeny jednou kruhovou molekulou DNA
- eukaryotní – vždy soustředěny do jádra buněk
- v chromozomech, kde probíhá transkripce se nachází přechodně i mRNA, rRNA a tRNA, které jsou právě syntetizovány

- struktura – mají několikastupňovou substrukturu ŕ DNA je strukturně
kondenzována:
- zákl jednotka: nukleosom ŕ jeho jádrem je oktamerní komplex
histonů (= bílkoviny bazického typu) ŕ celkem 8 molekul histonů ŕ
kolem tohoto jádra ovinuta část molekuly DNA o délce 146 bází ŕ po
dalších 60 párech bází (= spojovací DNA) přechod v další
nukleosomová jádra ŕ kondenzace řetízků nukleosomů do
chromatinových vláken ŕ vytváří smyčky ŕ konečná struktura
interfázových chromozomů (v profázi se dále zkracují a kondenzují ŕ tělíska = mitotické chromozomy ŕ v metafázi oba dceřinné
chromozomy (chromatidy) spojeny centromerou, která odděluje
ramena chromozomů )
- počet – soubor všech chromozomů v haploidní eukaryotní buňce = sada
chromozomů ŕ obraz struktury celé sady = karyotyp
- v jádře diploidní buňky ŕ 2 stejné sady chromozomů ŕ tytéž
chromozomy z obou sad nazýváme homologní × pouze pohlavní chromozomy se strukturně liší = gonozomy = heterochromozomy ŕ ostatní jsou autozomy

- lokus = úsek DNA obsahující 1 konkrétní gen
- alela = konkrétní forma genu
- vztah mezi alelami:
1) dominance – dominantní alela úplně potlačí účinek recesivní (velký účinek)
recesivita – ustupuje
2) neúplná dominance = projevení znaků obou alel stejnou měrou
3) kodominance = obě alely se projeví plnou měrou ŕ vzácná (krevní skup. AB)

- DNA – složena ze dvou polydeoxyribonukleotidových řetězců propletených do pravotočivé
dvoušroubovice (double helix, dublex)
- v každém chromozomu je jediná lineární molekula DNA
- v komplexu s histony se označuje jako chromatin
- struktura je poměrně stálá, protože ji stabilizují vodíkové vazby mezi bázemi ve
dvou různých řetězcích ŕ z prostorových důvodů se vodíkové vazby tvoří pouze mezi
určitými (komplementárními) bázemi = tzv.: párování = komplementarita bází
ŕ v důsledku párování bází může báze z jednoho polynukleotidového řetězce
zaujmout místo pouze proti takové bázi z druhého řetězce, se kterou může vytvořit
vodíkové můstky
ŕ sled nukleotidů v 1 řetězci je tedy komplementární (ale ne identický) s řetězcem
druhým ŕ oba řetězce jsou antiparalelní (= liší se ve směru fosfodiesterových vazeb
ŕ jedno vlákno ve směru 5´ŕ3´ v závitnici stoupá a druhé v tomtéž směru klesá)
- může tvořit různé konformace v závislosti na sledu nukleotidů, vlhkosti,
průvodních solí atd. (př.: A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA, Z-DNA, ve fyziologických
podmínkách téměř výhradně B-DNA)
- oba volné konce mohou být někdy spojeny a tvoří cirkulární DNA

- RNA – molekuly jsou tvořeny (až na některé vyjímky) jediným polynukleotidovým řetězcem,
ale i v tomto stavu se mohou v některé části molekuly RNA vytvořit páry
komplementárních nukleotidů
- cukernou složkou je ribóza
- místo thyminu je přítomen uracil

mRNA = mediátorová = informační = messenger RNA – zprostředkovává přenos
genetické informace z DNA na bílkoviny
- molekula má jednovláknovou strukturu
a) u eukaryotických buněk – je syntetizována v jádře ŕ po posttranskripční
modifikaci prochází póry jaderného obalu do cytoplazmy, kde je na
ribozomech využita v proteosyntéze
- řetězec eukaryotní mRNA bez vyjímky kóduje jen jeden peptidový
řetězec
- molekula mRNA poměrně stálá
×
b) u prokaryotických buněk – mRNA je syntetizována i translatována
v jediném buněčném prostoru
- řetězec prokaryotní mRNA často kóduje peptidových řetězců více
- molekula mRNA je vysoce nestálá

- prvním přepisem RNA u eukaryot je heterogenní nukleová RNA (hnRNA),
která je podstatně delší než přepis samotného strukturního genu
- z DNA se přepisují úseky jak kódující = exony (ty se spojují a opouštějí
jádro), tak nekódující = introny (zůstávají v jádře, pravděpodobně ovlivňují
diferenciaci buňěk)
- působením enzymů ribonukleáz se molekula upravuje sestřihem (introny se
oddělí a translace se dále účastní jen exony) na funkční mRNA

rRNA = ribozomální RNA – stavební složka ribozomů
- u prokaryotických organismů se nacházejí 3 různě velké rRNA × u
eukaryotických buněk až 4 rRNA
- jsou rovněž syntetizovány ve formě prekurzorových molekul, které jsou dále
upravovány
- je jednovláknová, ale určité části molekul mají strukturu dvojité šroubovice

tRNA = transferová = přenosová RNA – přenáší aktivované aminokyseliny při
proteosyntéze z cytoplazmy do místa proteosyntézy ŕ na ribozom
- v buňce existuje nejméně tolik tRNA, kolik je aminokyselin v bílkovinách (ŕ
každá tRNA přenáší jen jeden druh aminokyselin)
- tvar jetelového listu ŕ molekula se skládá ze 3 konstantních a jedné menší
(= variabilní) smyčky ŕ smyčky obsahují minoritní báze
- na začátku tRNA je akceptorové místo pro aminokyselinu
- antikodonová smyčka obsahuje antikodon (= triplet, který se při
proteosyntéze navazuje na příslušný kodon v molekule mRNA) ŕ tvořena ve
formě prekurzoru, který je upravován)

další druhy RNA:
nRNA = nukleová RNA – prekurzorová RNA - pro všechny druhy RNA
SnRNA = nízkomolekulová nukleová RNA
- tvoří komplexy s bílkovinami, váže se i k DNA
- účastní se vyštěpování exonů z RNA
cRNA = chromozomová RNA
- vyskytuje se v chromatinu, kde se váže s nehistonovými bílkovinami
- působí jako aktivátor či represor genů
virová RNA – u virů plní úlohu DNA i mRNA

- informace uložená (zakódovaná) v molekule DNA se při rozmnožování zdvojuje tak, aby do
každé dceřinné buňky byla předána opět kompletní informace = replikace

- transkripce = přepis = proces, při kterém se informace z DNA přenáší do RNA ŕ takto
syntetizovány všechny druhy RNA
- jako matrice pro syntézu RNA slouží vždy jen jedno vlákno duplexu DNA = kódující
vlákno ŕ vznikající řetězec RNA je svou nukleotidovou sekvencí identický s druhým
(komplementárním) vláknem duplexu DNA (jen místo thyminu ŕ uracil –
komplementární s adeninem)
- katalyzováno RNA-polymerázou (u eukaryot 3 jaderné RNA-polymerázy)
- průběh :
- duplex DNA musí být v příslušném úseku rozpleten (zpřístupnění krátké
sekvence kódující řetězce) ŕ
ŕ iniciace – RNA-polymeráza (směřována k promotoru) se váže na
duplex DNA ŕ k prvnímu nukleotidu je přiřazen komplementární
nukleotid RNA tj. první nukleotid příštího řetězce
ŕ syntéza RNA začíná rozplétáním duplexu DNA ŕ syntetizace RNA
párováním nukleotidů podle kódujícího řetězce DNA (= elogance =
vlastní polymerace)
ŕ RNA-polymeráza se postupně posunuje podél DNA a postupně
rozvinuje její duplex (směr pohybu RNA-polymerázy určuje, který
řetězec duplexu DNA bude transkribován ŕ matricový řetězec musí
být čten ve směru 3´ŕ5´ č řetězec RNA narůstá antiparalelně ve
směru 5´ŕ3´) ŕ za ní se oba řetězce opět splétají ŕ
rozvinutá oblast dosahuje konce genu ŕ
ŕ terminace ŕ uvolnění RNA a komplex DNA opět svinut (nastává,
když RNA-polymeráza dojde až k terminátoru)

- reverzní transkripce = RNA viry (čeleď: Retrovirů) mají ve virionech enzym revezní
transkriptázu, který umožňuje transkripci jejich genomové RNA do DNA a řídí v infikované buňce syntézu komplementárních vláken DNA na matrici řetězce virové RNA ŕ každé vlákno DNA s ovšem ihned od řetězce RNA uvolňuje ŕ k němu nasyntetizováno i komplementární vlákno DNA ŕ vzniká úplná dvouvláknová DNA s geny RNA viru

- posttranskripční modifikace pre-RNA – řetězce RNA vzniklé jako primární přepis
DNA jsou specificky enzymaticky upravovány ŕ primární řetězce jsou zpravidla mnohem delší než ty modifikované molekuly mRNA, tRNA a rRNA, jež se následně zapojují do proteosyntézy ŕ primární řetězce = prekurzorové RNA (pre-rRNA, pre-tRNA, pre-mRNA)
ŕ nadbytečné nukleotidové sekvence se nachází uvnitř genů ŕ kódující sekvence daného genu jsou v eukaryotní DNA přerušeny sekvencemi, které se na kódování genetické informace nepodílejí č kódující sekvence = exony a mezi nimi, vřazené sekvence, jež je navzájem oddělují = introny (často delší než exony)
- geny jsou většinou složené (exony + introny)
- přímým transkriptem genu ŕ dlouhá molekula RNA nesoucí v souvislém sledu sekvence komplementární všem exonům i intronům ŕ jaderná heterogenní RNA (hnRNA) ŕ hnRNA musí být před translací intronů zbavena ŕ ses třih = spilicing ŕ transkripty intronů jsou enzymaticky přesně vystříhány ŕ exony přesně navázány těsně za sebe + získává další charakteristické skupiny na obou koncích ŕ vzniká trvalý transkript mRNA ŕ přenáší genovou informaci pro translaci na ribozomy
ŕ geny pro tRNA, rRNA i geny mitochondriální DNA ŕ mechanismus sestřihu je nejasný ŕ sestřihovány nejméně 4 mechanismy (každému typu složených genů i jejich intronů odpovídá jeden)

- translace = překlad = syntéza bílkovin (z jazyka A, G, C, T ŕ do jazyka tvořeného
aminokyselinami)- probíhá na povrchu ribozomu
- struktura peptidového řetězce je zapsána pořadím aminokyselin
- zajištěna proteosyntetickým aparátem:
ŕ mRNA nese informaci pro vytvoření peptidového řetězce o specifické
primární struktuře
ŕ tRNA zařazuje molekuly aminokyselin do pořadí určeného mRNA
ŕ ribozomy zajišťují prostorovou souhru i časovou dynamiku všech
funkčních složek proteosyntézy
- materiálem jsou volné molekuly aminokyselin ŕ energii pro vznik peptidových
vazeb dodává ATP
- počátek proteosyntézy v iniciačních bodech (na mRNA triplet AUG)
- mRNA je překládána na ribozomu do primární struktury bílkovin ŕ každá aminokyselina je zařazována na své místo v peptidovém řetězci svou tRNA ŕ každá molekula tRNA je schopna navázat moulekulu pouze jednoho typu aminokyseliny a současně nese specifický antikodon (= triplet bází komplementárních ke kodonu mRNA) ŕ každá buňka syntetizuje tolik různých typů tRNA, kolik kodonů pro jednotlivé aminokyseliny má mRNA
- molekuly tRNA a rRNA jsou univerzální ŕ mají při syntéze všech bílkovin daného organismu stejnou funkci
- do mRNA je přepisováno pořadí nukleotidů určitého genu ŕ je v ní tedy v daný okamžik uložena informace o primární struktuře
- posttranslační modifikace proteinu – peptidový řetězec není jako přímý produkt
translace ještě bilogicky funkční ŕ spočívá např v těchto změnách : karboxylace postranních řetězců aminokyselin, vazba Ca2+ na určité místo atd…
- probíhá až v endoplazmatickém retikulu

- replikace = zdvojování genetické paměti – vznikají vždy dvě totožné dceřinné
molekuly DNA = repliky
začíná ve specifických místech chromozomu ŕ počáteční body replikace = iniciační body = origo
- matricí určující pořadí nukleotidů v nově syntetizovaných řetězcích DNA i
RNA je obecně řetězec DNA (obě vlákna)
- rozpletení dvoušroubovice ŕ oba řetězce duplexu se separují ŕ přerušení vodíkových můstků mezi komplementárními bázemi ŕ dočasná stabilizace jednotlivých řetězců ŕ ke každému nukleotidu mateřského duplexu se přiřazuje nukleotid komplementární ŕ organizace primárních struktur nových řetězců
- syntéza obou dceřinných řetězců musí být regulována
č zahájena = iniciována – projeví se lokálním rozvolněním obou vláken DNA-replikonu v sekvenci jeho počátku ŕ zde na duplex DNA nasedá rozvinující protein, který pak po něm určitým směrem projíždí a přitom porušuje vodíkové můstky mezi páry komplementárních nukleotidů a tak navzájem separuje oba řetězce ŕ dočasná stabilizace jednotlivých řetězců ŕ ke každému nukleotidu mateřského duplexu se přiřazuje nukleotid komplementární (polymerace probíhá vždy ve směru 5´ŕ3´) vlákna syntetizována antiparalelně ŕ místo, kde se obě vlákna duplexu od sebe odvíjejí a kam tedy dospěla syntéza duplexů dceřinných = replikační vidlice ŕ vidlice se pohybuje spolu s rozvinovacím proteinem až po zdvojení celého replikonu ŕ replikace může probíhat jednosměrně i obousměrně rozhoduje o tom vznik 2 nebo jedné vidlice na začátku (mezi nimi „replikační oko“)
Okazakiho fragmenty:
- replikaci DNA komplikuje antiparalelní struktura vláken duplexu
- s postupem replikační vidlice musí být na postupně exponovaných nukleotidech (ve směru 5´ŕ 3´ i 3´ŕ 5´) synchronně syntetizována vlákna dceřinná (syntéza nukleové kyseliny však může probíhat pouze ve směru 5´ŕ 3´)
- na matrici vlákna jež je rozplétáno ve směru 5´ŕ3´ syntetizuje vlákno globálně antiparalelně, ale po řadě krátkých fragmentů, z nichž každý je syntetizován s obvyklou polaritou 3´ŕ5´ = diskontinuitní syntéza
- tyto fragmenty jsou až v dalším průběhu replikace kovalentně spojovány v delší úseky
×
-na matrici odvíjené ve směru 3´ŕ5´ může však dceřinné vlákno narůstat současně (předbíhající vlákno) = syntéza probíhá kontinuitně
č prodlužována = elongována
č zastavena = terminována
- vždy jen jedna DNA-polymeráza katalyzuje replikaci jaderné DNA
- fční jednotka kontrolující replikaci = replikon (= chromozomy – jaderné replikovány vždy jen jednou × nejaderné replikony během buněčného cyklu replikovány i opakovaně)