22. Molekulární genetika

(molekulární podstata DNA a RNA, chromozom, základní pojmy, mitóza, meióza a buněčný cyklus, genetický kód a gen)

 

  1. Stavba DNA – nukleotid, nukleosid
  2. Purinové a pyrimidinové báze
  3. Objev DNA – Nobelova cena.
  4. Stavba chromozomu – chromatidy, chromonemy, primární a sekundární konstrikce, satelit, nukleosomy, chromatin…
  5. Typy chromozomů.
  6. Fáze mitózy a meiózy – rozdíly a shody.
  7. Význam segregace a kombinace alel. Crossing – over.
  8. Párové založení dědičných vlastností.

 

 

Genetika

  • nauka o dědičnosti a proměnlivosti organismů
  • dědičnost = schopnost organismů uchovávat soubory genetických informací a předávat je svým potomkům
  • dědičnost svými principy zabezpečuje dědičnost stálého druhu, způsobuje podobnost a rozmanitost

 

Nukleové kyseliny

  •  nositelky genetické informace
  • složka prakticky všech buněk
  • objeveny 1868; izolovány koncem 19. století
  • 1953: Watson a Crieck– objasnění struktury (1962 – NP)

DNA (kyselina deoxyribonukleová)

  •  obsažena v jádrech všech eukaryotických buněk (u prokaryot volně v cytoplazmě)
  • základní genetický materiál většiny organismů
  • slouží k uchování genetické informace
  • ACGT

RNA (kyselina ribonukleová)

  • zajišťuje přenos genetické informace z DNA do struktury bílkovin
  • ACGU
  • v organismech je přítomna v několika typech:
    • m-RNA (mediátorová RNA): obsahuje přepis informací z DNA o primární struktuře bílkovinné molekuly- ostatní RNA informaci o primární struktuře bílkovin neobsahují! Je tedy matricí pro syntézu bílkovin.
    • r-RNA (ribozomová RNA): součást ribozomů, v nichž probíhá proteosyntéza
    • t-RNA (transferová RNA): přenáší AMK z cytoplazmy na místo syntézy bílkovin (ribozomy), kde jsou spojovány do polypeptidických řetězců, pro každou AMK existuje alespoň jedna t-RNA; jednořetězcová, tvoří 3 smyčky; některé oblasti smyček obsahují sekvence navzájem komplementárních nukleotidů, které se sopjují a vznikají tak místa, kde je t-RNA dvouřetězcová; výsledná struktura připomíná jetelový list – na jeden konec t-RNA se naváže AMK a jedno rameno t-RNA obsahuje trojici nukleotidů, tzv. Antikodon která je komplementární k příslušnému kodonu v m-RNA – iniciační t-RNA je jediná, která se připojuje v peptidylovém vazebném místě

 Nukleotid = základní stavební jednotka NK

  • cukerná složka (pentóza – monosacharid s 5-ti C)
  • DNA:2-deoxy-D-ribóza
  • RNA: D-ribóza
  • dusíkaté báze
    • purinové:Adenin, Guanin = heterocyklické sloučeniny se dvěma kondenzovanými heterocykly
    • pyrimidinové: Cytosin, Thymin, Uracil = šestičlenné heterocyklické sloučeniny se dvěma kondenzovanými heterocykly
  • zbytek kyseliny trihydrogenfosforečné: jejím prostřednictvím jsou navázány jednotlivé nukleotidy

 

  • primární struktura NK = pořadí jednotlivých nukleotidů, spojených v polynukleotidový řetězec → určuje genetickou informaci organismu
  • sekundární struktura NK = prostorové uspořádání polynukleotidového řetězce
  • vodíkové můstky = spojení mezi vlákny/bázemi dvoušroubovice DNA
  • komplementarita:báze, mezi nimiž vzniká vazba, označujeme jako komplementární:
    • CG – 3 vodíkové můstky
    • AT/AU – 2 vodíkové můstky

→ pořadí nukleotidů v jednom řetězci tak přímo určuje primární strukturu druhého řetězce (je jeho matricí)

 

Genetický kód

  • ze stavby DNA vyplývá, že gen. informace je zapsána v její struktuře jako sled 4 typů nukleotidů (A, T, G, C)
  • každá z 20 AMK, ze kterých se v buňkách syntetizují bílkoviny (tzv. proteinogenních AMK), je kódována kombinací 3 po sobě následujících bází (nukleotidů)
  • začlenění každé AMK do vznikajícího polypeptidu je tedy určeno vždy trojicí = tripletem nukleotidů, které se nazývají kodony
  • genetický kód je soustava biologicky podmíněných pravidel, dle nichž jsou k jednotlivým kodonům přiřazovány určité proteinogenní AMK
  • pořadí nukleotidů v nukleových kyselnách tak řídí pořadí AMK v molekule bílkoviny
  • v molekule NK jsou 4 typy nukleotidů, jejichž vzájemnými kombinacemi může vzniknout 43 (64) různých kodonů, pro něž platí:
  • každý triplet kóduje jen jednu AMK
  • genetický kód je degenerovaný – stejná AMK může být kódována i několika různými triplety (existuje 64 různých tripletů, ale AMK je jen 20-22)
  • genetický kód je univerzální – u všech organismů mají jednotlivé kodony tentýž kódovací smysl
  • terminační kodony: UAA, UAG a UGA – nekódují žádnou AMK; signalizují ukončení řetězce polypeptidu
  • kodon iniciační: AUG – kóduje AMK methionin, ale signalizuje i počátek řetězce polypeptidu

 

Přenos genetické informace

  • přenos gen. Informace z jedné buněčné generace do druhé (z mateřské buňky do buněk dceřinných) je umožněn schopností DNA replikovat se = zdvojovat a tvořit dceřinné molekuly, které jsou předávány do dceřinných buněk při mitotickém dělení
  • exprese genu = vyjádření genetické informace proteosyntézou = vyjádření v primární struktuře bílkovin
  • proteosyntéza nastává ve dvou stupních:
    • transkripce = informace z DNA se přepíše do m-RNA, probíhá především v buněčném jádře, ale i v organelách, které obsahují DNA (mitochondrie, plastidy)
    • translace = dle informace v m-RNA se syntetizují bílkoviny, probíhá na ribozomech, pořadí AMK v polypeptidovém řetězci je určeno pořadím nukleotiidů v molekule m-RNA

 

Replikace DNA

  • replikací vznikají z jedné molekuly DNA dvě dceřiné
  • dochází k ní v tzv. S fázi mitotického dělení (syntetické fázi)
  • enzymem nutným pro replikaci DNA je DNA-polymeráza (katalyzuje tvorbu vazeb mezi nukleotidy)
  • u prokaryot dochází k rozvolňování dvoušroubovice DNA a replikaci od jednoho konce ke druhému (tzv. Zipový způsob replikace)
  • u eukaryot dochází k replikaci DNA na mnoha místech najednou = bublinový způsob replikace → replikace eukaryot probíhá rychleji
  • dochází k rozvinutí a uvolnění jednotlivých řetězců dvoušroubovice DNA (zanikají vodíkové vazby mezi bázemi nukleotidových párů)
  •  polynukleotidové řetězce slouží jako vzory (matrice), ke kterým se na základě komplementarity přiřazují volné nukleotidy (např. K nukleotidu, který obsahuje adenin se přiřazuje nukleotid s thyminem apod.)
  • jednotlivé nukleotidy se mezi sebou spojují vazbami a vytvoří nový polynukleotidový řetězec, jehož pořaadí nukleotidů je komplementárně určeno pořadím nukleotidů v matricovém řetězci
  • z původní molekuly DNA vznikají dvě dvouřetězcové dceřiné molekuly, ve ketrých jeden řetězec vychází z původní mateřské molekuly DNA a druhý je nově vytvořený

 

Transkripce

  • „přepis“ genetické informace z DNA do m-RNA:
  • rozvolnění dvoušroubovice DNA
  •  jeden řetězec DNA slouží jako matrice, k jednotlivým nukleotidům DNA (deoxyribonukleotidům) se na zákiladě komplementarity přiřazují volné nukleotidy RNA (ribonukleotidy)
  • ribonukleotidy jsou spojeny vazbami a vytvoří souvislý polyribonukleotidový řetězec, který se prodlužuje a postupně se od molekuly DNA odděluje, opouští jádro a napojuje se na ribozomy
  • ADENIN JE PÁROVÁN S URACILEM!
  • Enzym: RNA-polymeráza
  • u prokaryot obsahuje m-RNA obvykle informace o primární struktuře několika polypeptidů
  • u eukaryot mívá informaci pouze pro jeden polypeptidový řetězec
  • m-RNA umožňuje jednak přenos genetické informace z jádra do ribozomů, a jednak poskytuje tuto informaci k překladu do primární struktury bílkovin
  • u eukaryotické DNA jsou geny tvořeny ze dvou navzájem se střídajících úseků:
  • exony = obsahují informaci o pořadí AMK v polypeptidickém řetězci
  • introny = neobsahují informaci o pořadí AMK → nemají kódovací smysl
  • transkripcí se do struktury m-RNA nejprve přepíše celý gen (exony i introny)
  •  následně dochází u m-RNA k tzv. sestřihu
  • introny jsou z molekuly odstraněny a f-ční m-RNA je tvořeny spojenými exony

 

Translace

  • „překlad“ genetické informace z pořadí nukleotidů v m-RNA do pořadí AMK v polypeptidickém řetězci prostřednictvím genetického kódu (proces syntézy bílkovin podle informace obsažené v molekulách m-RNA)
  • AMK jsou na místo syntézy (do ribozomů) transportovány pomocí t-RNA
  • druh AMK určuje kodon(triplet) – 3 za sebou následující báze v m-RNA
  • ke každému kodonu je komplementární antikodon – 3 za sebou následující  báze t-RNA komplementární ke kodonu, každá t-RNA je specifická  pro určitou AMK
  •  translace probíhá v několika fázích:
  • na malou podjednotku tibozomu se připojuje m-RNA, ribozom se po molekule m-RNA posunuje, přičemž volný konec molekuly m-RNA se může napojovat na další ribozomy, vzniká tak polyribozom (komplex molekuly m-RNA, po které se za sebou posouvají další ribozomy)
  • při posouvání se m-RNA dostává na každém ribozomu do kontaktu s jeho dvěma vazebnými místy, která odpovídají svou velikostí trojicím ribonukleotidů v m-RNA (kodonům), v těchto místech dochází k připojování AMK a k jejich spojování do polypeptidového řetězce:
  • na aminoacylové vazebné místo (A-místo) se váže t-RNA nesoucí AMK
  • na peptidylové vazebné místo (P-místo) se váže t-RNA nesoucí polypeptid prodloužený o jednu AMK
  • AMK k ribozomům přináši t-RNA, každá t-RNA je specifická pro určitou AMK a obsahuje trojici nukleotidů (antikodon), která je komplementární k příslušnému kodonu v m-RNA, připojením AMK k t-RNA vzniká komplex aminoacyl-t-RNA
  • translace je zahájena, jakmile se posunem dostane na peptidylové vazebné místo iniciační kodon molekuly m-RNA (obvykle kodon AUG), na který se připojí iniciační t-RNA s navázanou iniciační AMK (methionin)
  • do aminoacylového místa se dostane následující kodon molekuly m-RNA a na něj se připojí příslušný komplex aminoacyl-t-RNA, mezi oběma AMK vzniká peptidová vazba
  • ribozom se posune o jeden kodon a t-RNA z aminoacylového místa s navázaným dipeptidem se přesune do peptidylového místa, odkud vytěsní předchozí t-RNA
  •  do aminoacylového místa se dostane nový  kodon, k němuž se připojí další amino-acyl-t-RNA s odpovídajícím antikodonem, mezi AMK se vytvoří peptidová vazba (vznikne tripeptid) a t-RNA z peptidylového místa se uvolní
  • celý proces probíhá tak dlouho, až se do aminoacylového místa dostane terminační kodon, pro který neexistuje žádný odpovídající antikodon, nemůže se tedy napojit další AMK a nově vytvořený polypeptidový řetězec je uvolněn z ribozomu

 Geny

  •  základní jednotky genetické informace
  • úsek molekuly DNA, který svým pořadím nukleotidů určuje pořadí AMK v molekule určité bílkoviny nebo pořadí nukleotidů v některém typu RNA
  • geny:
    • strukturní: informace o primární struktuře polypeptidových řetězců
    • regulátorové: regulují aktivitu strukturních genů
    • geny pro t-RNA a r-RNA: určují pořadí nukleotidů v molekulách t-RNA nebo r-RNA, tzn. Těch typů RNA, které nejsou určeny pro translaci

Operony – souvislé úseky, do nichž jsou uspořádány geny, např.:

  • promotor: oblast, v níž je zahájena transkripce (místo zahájení syntézy m-RNA)
  • operační gen (operátor): oblast, na kterou se váží regulační proteiny ovlivňující průběh transkripce

strukturní geny

  • lac operon (laktózový operon bakterie E. Coli) – strukturní geny lac operonu kódují enzymy nezbytné pro to, aby bakterie mohly využít laktózu jako zdroj energie

Regulační gen

  • řídí transkripci celého operonu, ale není jeho součástí
  • ovlivňuje produkci represoru – regulačního proteinu, po jehož navázání na operační gen se zastavuje transkripce strukturních genů operonu

Induktor – navázáním na represor znemožňuje jeho vazbu na operátorový gen, tím pozitivně reguluje transkripci

Genetické inženýrství

  • odvětví genetiky, které se zabývá přímou manipulací s geny a vytvářením takových kombinací, které by přirozenými genetickými procesy nemohly vzniknout
  • zákaldem je tvorba tzv. Rekombinantní DNA – DNA vzniklé sopjováním polynukleotidoých sekvencí různého původu (části DNA jsou stříhány a spojovány pomocí enzymů)
  • určitý gen nebo vybraná sekvence DNA je začleněna do DNA jiného organismu
  • kmeny bakterií (či kvasinek) produkují lidský inzulin, somatotropin..

Alela

  • forma genu
  • v somatických buňkách je každý gen zastoupen 2 alelami, v gonádoidních pouze 1 alelou
  • homozygotní alely = obě jsou stejné
  • heterozygotní alely = rozdílné
  • dominantní alela
  • recesivní alela

prokarya: útvar odpovídající jádru = nukleoid – jediná do kruhu stočená dvoušroubovice molekuly DNA, která je volně uložena v cytoplazmě = prokaryotická buňka má 1 chromozom, každý gen je zastoupen 1 alelou

Chromozom

  • tělíska v buněčném jádře tvořeny chromatinem = komplex DNA + histonů → nukleohistonové vlákno
  • dvě ramena spojená centromerou
  • karyotyp: soubor všech jaderných chromozomů buňky
  • počet, velikost, tvar… → rozmanitý, u jednoho druhu však vždy stálý
  • morfologie těla chromozomu je nejlépe pozorovatelná ve stadiu metafáze nebo rané anafáze, v jiných fázích zpravidla není kondenzován
  • genom: soubor všech genů buněčného jádra
  • člověk: 46 chromozomů, pes 78, kapr 104, žito 14, lípa 82
  • v tělních buňkách: v párech – 2n = homologické
  • v pohlavních buňkách: haploidní – n = heterologické
  • geny jsou v chromozomech uloženy lineárně za sebou
  • lokus: určité místo genu
  • soubor genů je konstantní, geny se vždy vyskytují v určitém stálém pořadí
  • typy dle umístění centromery:
    • metacentrický
    • submetacentrický
    • akrocentrický
    • telocentrický
  • chromonema: jednořetězcové vlákno DNA v chromozomu – před mitózou je každá chromatida tvořena 2 chromozomy, v intervizi dochází k replikaci chromozomu za vzniku dvouchromatidového chromozomu
  • primární konstrikce: místo, kde se chromozomy dělí na dvě ramena
  • sekundární konstrikce: u některých chromozomů, odděluje z jedněch ramen tzv. satelit
  • satelit: okrajová, volně připojená část chromozomu
  • nukleosomy: základní jednotky eukaryotických chromozomů = DNA ovinuté kolem jádra z histonových proteinů; podobné struktury nalezeny i u archebakterií

 

Buněčný cyklus

  •  Životní cyklus buňky = období od konce jednoho dělení po ukončení dělení následujícího
  • Generační doba buňky = doba trvání buněčného cyklu
  • Buněčný cyklus rozdělujeme na několik fází
  • G1 fáze, S fáze, G2 fáze a M fáze; Nebo jednoduše na dvě fáze: dělení a interfázi
  • Interfáze: buňka roste, vytvářejí se potřebné organely, buňka koná svoji činnost
  • G1 fáze (postmitotická fáze) x G0 fáze – nic se neděje; začíná osamostatněním dceřiné buňky = 30-40% časového trvání cyklu: období růstu, tvorby organel (tvorba RNA – transkripce, tvorba bílkovin-translace), buňka se připravuje na replikaci DNA syntézou DNA polymerázy a nukleotidů, nachází se zde hlavní kontrolní uzel buněčného cyklu
  • S fáze (syntetická fáze): replikace DNA, každý chromozom je na konci této fáze zdvojený – buňka je tetraploidní, po S fázi je počet chromozomu stejný, ale jsou zdvojené, 45-50% cyklu
  • G2 fáze (premitotická fáze): 10-20% buň. cyklu, všechny organely dvojnásobné množství  = přípravná fáze na mitózu
  • Dělení buněk (mitóza, meióza) M fáze
    • původní mateřská buňka se rozdělí obvykle na 2 (případně 4) buňky dceřiné
    • skládá se ze dvou fází: dělení jádra = karyokineze a dělení celé buňky = cytokineze

MITÓZA (NEPŘÍMÉ DĚLENÍ) – zabezpečuje rovnoměrné rozmístění genetického materiálu mezi dceřiné buňky

1)       KARYOKINEZE (4 fáze)

  • PROFÁZE
    • Centriol – organela přítomné ve stále struktuře buňky, uložená při povrchu jaderného obalu tvořena krátkými mikrotubuly se dělí na dva dceřiné centrioly a ty zaujmou místo naproti sobě
    • rozpouští se jaderná membrána, vznikají vlákna dělícího vřeténka
    • kondenzace chromozomů spiralizují se, primární zaškrcení chromozomu = centromera
    • METAFÁZE
      • chromozomy se navážou na vlákna dělícího vřeténka v centromeře (rovníková poloha)
      • jednotlivé chromozomy se posouvají na střed buňky a na konci metafáze se rozdělí chromozomy v centromeře
      • ANAFÁZE
        • Úplné rozdělení chromozomů → posouvají se k pólům buňky
        • celá buňka se protahuje do délky, začíná cytokineze
        • TELOFÁZE
          • zaniká dělící vřeténko, kolem chromozomů se vytváří jaderná membrána
          • chromozomy se opět dekondenzují do tenkých vláken
          • chromozomy se rozpadají na chromatin a objeví se jadérka
          • současně začíná cytokineze

2)CYTOKINEZE

  • buňka se protahuje → rozdělí se na dvě dceřiné buňky

MEIÓZA (Gametogeneze)

  • zrání pohlavní buňky – GAMETY → 2n → 1n
  • dochází ke snížení genetického vybavení na poloviční
  • na konci dělení vznikají 4 buňky
  1. Meiotické dělení – heterotypické – redukční

Profáze

  • delší a složitější než u mitózy
  • homologické chromozomy (mateřské a otcovské) se k sobě přikládají a dochází k synapsi „sepnutí zipem“ =BIVALENTY či TETRÁDY
  • Na několika jejich částí dochází k vzájemné výměně jejich částí  – crossing over (zajišťuje zjednodušeně že všichni sourozenci nebudou úplně stejní)
  • rozpouští se jaderná membrána a vytváří se dělící vřeténko

Metafáze

  • tetrády se navážou na dělící vřeténko a uspořádají se v rovníkové rovině
  • nedochází ovšem k rozdělení centromer jednotlivých chromozomů

Anafáze

  • rozchody chromozomů z tetrád k jednotlivým pólům buňky → počet chromozomů se už zredukoval na polovinu
  • náhodná segregace – k jednomu pólu chromozom mateřský – k druhému otcovský

Telofáze

  • protažení mateřské buňky
  • kolem chromozomů se vytváří jaderná membrána a zaniká dělící vřeténko
  • u rostlinných buněk není telofáze dokončena
  • vzniknou 2 haploidní buňky
  • chromozomy se částečně dekondenzují

Během prvního meiotického dělení nedochází jen k redukci počtu chromozomů, ale i k rekombinaci „otcovských“ a „mateřských“ genů.

2. Meiotické dělení –stejné jako u mitózy – homeotypické-ekvační –  4 haploidní buňky

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Můžete používat následující HTML značky a atributy: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>