Nukleové kyseliny a genová exprese

NUKLEOVÉ KYSELINY

• • nositelkami genetické informace jsou molekuly nukleových kyselin tvořené řetězci vzájemně spojených nukleotidů, jsou složkou prakticky všech buněk

  • kyselina deoxyribonukleová (DNA) – je obsažena v jádrech všech eukaryotických buněk (u prokaryotických buněk je uložena volně v cytoplazmě), je základním genetickým materiálem většiny organismů, slouží k uchování genetické informace

  • kyselina ribonukleová (RNA) – zajišťuje přenos genetické informace z DNA do struktury bílkovin, v organismech je přítomna v několika typech:

    • mRNA (mediátorová RNA) – obsahuje přepis informací z DNA o primární struktuře bílkovinné molekuly, je matricí pro syntézu bílkovin

    • rRNA (ribozomová RNA) – je součástí ribozomů, v nichž probíhá proteosyntéza

    • tRNA (transferová RNA) – přenáší aminokyseliny z cytoplazmy na místo syntézy bílkovin (ribozomy), kde jsou spojovány do polypeptidickych řetězců, pro každou aminokyselinu existuje alespoň jedna tRNA

  • nukleové kyseliny jsou makromolekulární látky, jejichž základní stavební jednotkou je nukleotid – každý nukleotid vzniká spojením:

    • cukerné složky – pentózy (monosacharid s pěti uhlíky), DNA obsahuje 2–deoxy–D–ribózu, RNA obsahuje D–ribózu

    • dusíkaté báze – je navázána na cukernou složku, existují 4 typy (podle nich rozlišujeme 4 typy různých nukleotidů): adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) – obsažený pouze v DNA a uracil (U) – obsažený pouze v RNA

      • adenin a guanin jsou báze purinové odvozené od purinu (heterocyklické sloučeniny se dvěma kondenzovanými heterocykly)

      • cytosin, thymin a uracil jsou báze pyrimidinové odvozené od pyrimidinu (šestičlenné heterocyklické sloučeniny se dvěma heteroatomy)

      • mezi adeninem a thyminem se tvoří 2 vodíkové vazby, cytosin a guanin jsou spojeny 3 vodíkovými vazbami

    • fosfátu – jeho prostřednictvím jsou navázány jednotlivé nukleotidy

  • pořadí jednotlivých nukleotidů spojených v polynukleotidový řetězec, tzv. primární struktura nukleových kyselin, určuje genetickou informaci organismu

  • sekundární struktura nukleových kyselin je dána prostorovým uspořádáním polynukleotidového řetězce – molekula DNA je tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci (je dvouvláknová) stočenými do dvoušroubovice × molekula RNA je obvykle tvořena jedním polynukleotidovým řetězcem (je jednovláknová)

    • spojení mezi vlákny dvoušroubovice DNA je realizováno vodíkovými vazbami mezi bázemi obou řetězců

    • k vazbě mezi určitou dvojicí bází dochází na základě tzv. komplementarity

    • báze, mezi kterými vzniká vazba, označujeme jako komplementární:

      • cytosin je komplementární s guaninem a naopak

      • adenin je komplementární s thyminem (u DNA) nebo uracilem (u RNA) a naopak¨

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

GENETICKÝ KÓD

• • ze stavby DNA vyplývá, že genetická informace je zapsána v její struktuře jako sled 4 typů nukleotidů (A, U, G, C)

  • každá z 20 aminokyselin, ze kterých se v buňkách syntetizují bílkoviny (tzv. proteinogenních aminokyselin), je kódována kombinací 3 po sobě následujících bází (nukleotidů)

  • začlenění každé aminokyseliny do vznikajícího polypeptidu je tedy určeno vždy trojicí, tzv. tripletem nukleotidů, které nazýváme kodóny

  • genetický kód je soustava biologicky podmíněných pravidel, podle kterých jsou k jednotlivým kodónům přiřazovány určité proteinogenní aminokyseliny (pořadí nukleotidů v nukleových kyselinách tak řídí pořadí aminokyselin v molekule bílkoviny)

  • v molekule nukleových kyselin jsou čtyři typy nukleotidů, jejichž vzájemnými kombinacemi může vzniknout 64 (4³) různých kodónů, pro něž platí:

    • každý triplet kóduje jen jednu aminokyselinu

    • genetický kód je degenerovaný, tzn. stejná aminokyselina může být kódována i několika různými triplety (existuje 64 různých tripletů, ale proteinogenních aminokyselin je jen 20)

    • genetický kód je univerzální, tzn. u všech organismů mají jednotlivé kodóny tentýž kódovací smysl (ODCHYLKA: u mitochondriální DNA je pět tripletů čteno jinak!)

    • kodóny UAA a UAG a UGA nekódují žádnou aminokyselinu, ale signalizují ukončení řetězce polypeptidu, jde o tzv. kodóny terminační

    • kodón AUG kóduje nejen aminokyselinu methionin (Met), ale signalizuje také začátek řetězce polypeptidu, jde o tzv. kodón iniciační

PŘENOS GENETICKÉ INFORMACE

• • přenos genetické informace z jedné buněčné generace do druhé (z mateřské buňky do dceřiných) je umožněn schopností DNA se replikovat (zdvojovat) a tvořit dceřiné molekuly, které jsou předávány do dceřiných buněk při mitotickém dělení

  • exprese genu = vyjádření genetické informace proteosyntézou (syntézou bílkovin), tzn. vyjádření v primární struktuře bílkovin

  • proteosyntéza probíhá ve dvou stupních:

    • nejdříve nastává transkripce – informace z DNA se přepíše do m–RNA, probíhá především v buněčném jádře, ale i v organelách, které obsahují DNA (např. mitochondrie)

    • následuje translace – podle informace v mRNA se syntetizují bílkoviny, probíhá na ribozomech, pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci je určeno pořadím nukleotidů v molekule mRNA

Replikace DNA

• • při replikaci vznikají z jedné molekuly DNA dvě strukturně shodné molekuly dceřiné

  • 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 pořadí nukleotidů je komplementárně určeno pořadím nukleotidů v matricovém řetězci

  • z původní molekuly DNA vznikají dvě dvouřetězcové dceřiné molekuly, ve kterých jeden řetězec pochází z původní mateřské molekuly DNA a druhý je nově vytvořený

  • u prokaryotických organismů dochází k rozvolňováni dvoušroubovice DNA a replikaci od jednoho konce ke druhému (tzv. zipový způsob replikace) × u eukaryotických organismů dochází k replikaci DNA na mnoha místech najednou (tzv. bublinový způsob replikace – replikace DNA u eukaryot tedy probíhá mnohem rychleji

  • základním enzymem nutným pro replikaci DNA je DNA-polymeráza (katalyzuje tvorbu vazeb mezi nukleotidy)

Transkripce

• • transkripce je „přepis“ genetické informace z DNA do mRNA

  • nejprve dochází k rozvolnění dvoušroubovice DNA

  • jeden řetězec DNA slouží jako matrice, k jednotlivým nukleotidům DNA (deoxyribonukleotidům) se na základě 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

  • pro průběh transkripce je nezbytné katalytické působení enzymu RNA-polymeráza

Translace

• • translace je „překlad“ genetické informace z pořadí nukleotidů v mRNA do pořadí aminokyselin v polypeptidickém řetězci prostřednictvím genetického kódu (proces syntézy bílkovin podle informace obsažené v molekulách mRNA)

  • aminokyseliny jsou na místo syntézy (do ribozomů) transportovány pomocí tRNA

  • druh aminokyseliny určuje kodón (triplet) = tři za sebou následující báze v mRNA → ke každému kodónu je komplementární antikodón – tři za sebou následující báze tRNA komplementární ke kodónu (každá tRNA je specifická pro určitou aminokyselinu)

  • translace probíhá v několika fázích:

    • na malou podjednotku ribozomu se připojuje mRNA, ribozom se po molekule mRNA posunuje, přičemž volný konec molekuly mRNA se může napojovat na další ribozomy, vzniká tak polyribozom (komplex molekuly mRNA, po které se za sebou posouvají další ribozomy)

    • při posouvání se mRNA dostává na každém ribozomu do kontaktu s jeho dvěma vazebnými místy, která odpovídají svou velikostí trojicím ribonukleotidů v mRNA (kodónům), v těchto místech dochází k připojování aminokyselin a k jejich spojování do polypeptidového řetězce: a) na aminoacylové vazebné místo (A-místo) se váže tRNA nesoucí aminokyselinu, b) na peptidylové vazebné místo (P-místo) se váže tRNA nesoucí polypeptid prodloužený o jednu aminokyselinu

    • aminokyseliny k ribozomům přináší tRNA, každá tRNA je specifická pro určitou aminokyselinu a obsahuje trojici nukleotidů (antikodón), která je komplementární k příslušnému kodónu v mRNA, připojením aminokyseliny k tRNA vzniká komplex aminoacyl-tRNA

    • translace je zahájena, jakmile se posunem dostane na peptidylové vazebné místo iniciační kodón molekuly mRNA (obvykle kodón AUG), na který se připojí iniciační tRNA s navázanou iniciační aminokyselinou (Met)

    • do aminoacylového místa se dostane následující kodón molekuly mRNA a na něj se připojí příslušný komplex aminoacyl-t-RNA, mezi oběma aminokyselinami vzniká peptidová vazba

    • ribozom se posune o jeden kodón a tRNA z aminoacylového místa s navázaným dipeptidem se přesune do peptidylového místa, odkud vytěsní předchozí tRNA

    • do aminoacylového místa se dostane nový kodón, k němuž se připojí další aminoacyl-tRNA s odpovídajícím antikodónem, mezi aminokyselinami se vytvoří peptidová vazba (vznikne tripeptid) a tRNA z peptidylového místa se uvolní

    • celý proces probíhá tak dlouho, až se do aminoacylového místa dostane terminační kodón (UGA, UAA, UAG), pro který neexistuje žádný odpovídající antikodón, nemůže se tedy napojit další aminokyselina a nově vytvořený polypeptidový řetězec je uvolněn z ribozomu

GENY

• • gen je základní jednotkou genetické informace, jde o úsek molekuly DNA, který svým pořadím nukleotidů určuje pořadí aminokyselin v molekule určité bílkoviny nebo pořadí nukleotidů v některém typu RNArozlišujeme geny:

    • strukturní – obsahují informace o primární struktuře polypeptidových řetězců

    • regulátorové – regulují aktivitu strukturních genů (tzv. signální sekvence DNA)

    • geny pro tRNA a rRNA – určují pořadí nukleotidů v molekulách tRNA nebo rRNA, tzn. těch typů RNA, které nejsou určeny pro translaci (tRNA vzniká v jádře, rRNA vzniká v jadérku)

  • u eukaryot jsou geny organizovány do intronů a exonů

    • exony obsahují informaci o pořadí aminokyselin v polypeptidickém řetězci

    • introny neobsahují informaci o pořadí aminokyselin v polypeptidickém řetězci (nemají kódovací smysl)

    • transkripcí se do struktury mRNA nejprve přepíše celý gen (exony i introny), následně dochází u pre-mRNA k tzv. sestřihu (splicing) = introny jsou z molekuly odstraněny (zůstávají v jádře) a funkční mRNA je tvořena spojenými exony

  • u prokaryot jsou geny uspořádány do souvislých úseků, které nazýváme operony, které tvoří:

    • promotor – oblast, v níž je zahájena transkripce (syntéza mRNA)

    • operační gen (operátor) – oblast, na kterou se váží regulační proteiny ovlivňující průběh transkripce

    • strukturní geny

    • transkripce celého operonu je řízena pomoci tzv. regulačního genu (není součástí operonu), který ovlivňuje produkci represoru – regulačního proteinu, po jehož navázání na operační gen se zastavuje transkripce strukturních genů operonu

    • induktor je látka, která navázáním na represor znemožňuje jeho vazbu na operátorový gen, a tím pozitivně reguluje transkripci

    • Příkladem operonu je tzv. lac operon (neboli laktózový operon) bakterie Escherichia coli:

      • Strukturní geny lac operonu kódují enzymy nezbytně pro to, aby bakterie mohly využít laktózu jako zdroj energie.

      • Laktóza v prostředí působí jako induktor, tzn. váže se na represor a umožňuje strukturním genům produkovat enzymy zpracovávající laktózu.

      • Nedostatek laktózy v prostředí způsobí navázání represoru na operační gen, a tím zastavení transkripce.

      • Tímto způsobem je buňce zabráněno tvořit bílkoviny, které pro ni v daný okamžik nejsou nezbytné.