Genetika - DNA, RNA, replikace, translace, transkripce, stavba a délka genu

Historie genetiky

Johan Gregor Mendel (1822 – 1884) – zakladatel genetiky, 19. století

-          17 let dělal pokusy s křížením rostlin[1], typickým příkladem byl hrách setý (Pisum sativum)

-          při křížení si vybral dvě vzájemně se lišící určitou formou nápadného znaku -> dvě rodičovsky různé rostliny s červeným a bílým květem, pyl přenesl na bliznu bílého, došlo k opylení a pak oplození (gamety splynuly) -> hrách vytvořil semena a z toho podle genetické informace vznikly květy: červené, růžové nebo bílé

-          lidé využívali přenosu genů po celá staletí – šlechtila se zvířata, obilí,…

=> objevil základní zákonitosti dědičnosti organismů (Mendelovy zákony) 1865, uznán až po smrti r. 1900

geny pojmenoval jako elementy

Eugenika (1865) – genetika člověka, studoval se výskyt nadání a talentů, které se objevily v rodě

Genetika populací – výskyt určitých znaků v rámci populace živočichů, zákony dědičnosti v populaci formovali vědci G. H. Hardy a W. Weinberg (= zákon Hardyův – Weinbergův)

V roce 1916 zásluhou C. B. Bridgese bylo známo, že geny jsou uloženy v jádrech buněk (v chromozomech)

>        později vznik vědního oboru cytogenetika (studuje typy chromozomů, počet chromozomů v buňce,…), zakladatel cytogenetiky Thomas Morgan (= Morganovy zákony r. 1919) – genetický výzkum prováděl na mušce Octomilce (Drosophila melanogaster), protože má obrovské chromozomy

-          během II. sv. války (1945) se zjistilo, že nositelem genetické informace je DNA (deoxyribonukleová kyselina)

-          r. 1953 objevena struktura DNA a vzniklo odvětví molekulární genetika, objevitelé Watson, Crick a Wilkinson, struktura DNA = dvojitá dvoušroubovice (dvě vlákna navzájem se držící vodíkovými můstky)

-          r. 1956 určen počet chromozomů u člověka, celkem 46 (23 párů) v jádrech somatických buněk

-          r. 1968 rozluštěn genetický kód p. Nirenbergem[2]

-          r. 2001 publikována předběžná verze sekvence lidského genomu

Obory genetiky

I.                    Genetika – nauka o hereditě a variabilitě, genus = rod (1906)

a)      Heredita (= dědičnost)

-          schopnost organismu předávat genetickou informaci potomkům

-          genetická informace se projevuje znaky (barva očí, krevní skupina,…)

-          důsledkem dědičnosti je zajištěno zachování jednotlivých biologických druhů

b)      Variabilita (= proměnlivost)

-          vzájemná odlišnost jedinců téhož druhu, je dána genetickými vlivy (kombinace genů rodičů) a působením faktorů prostředí (geografické vlivy, potrava, ozáření,…)[3]

II.                  Molekulární genetika – studuje přenos genetické informace na molekulární úrovni

III.                Cytogenetika[4] - studuje buněčné dělení (mitóza, meioza)

IV.                Genetika bakterií – zkoumá geneticky modifikované bakterie (pozměněné, vytvářejí významný produkt pro člověka – inzulín, růstový hormon,…)

V.                  Genetika rostlin, živočichů – praktické využití v zemědělství, hospodářství,…

VI.                Eugenika – dědí se znaky v rodech, těžké nemoci, v minulosti zneužita nacisty

VII.              Populační genetika – výskyt znaků v populaci

VIII.            Genové inženýrství – studuje možnosti cíleného zasahování do genetické výbavy

…

Molekulární genetika

-          nositelem genetické informace je nukleová kyselina < ^DNA _RNA

DNA

= polymerní, makromolekulární látka složená ze základní stavební jednotky nukleotid

Nukleotid

Tvořen: 2-deoxy-D-ribosa (= dusíkatá báze + fosfát[5] + cukr)

Dusíkaté báze: heterocyklické sloučeniny odvozeny od purinu a pirimidinu

Purin – adenin (A), guanin (G)

Pyrimidin – cytosin (C), thymin (T)[6]

                fosfodiesterové vazby mezi C₃ a C₅

                N – glykosidická vazba mezi C₁ deoxyribosy a dusíkatou bází

každý volný konec polynukleotidového řetězce nese označení 3´ a 5´ (podle toho, kde je volná OH skupina)

pořadí nukleotidů v DNA se nazývá sekvence

Každý gen je dán speciální sekvencí nukleotidů

čísla 3´ a 5´ označují orientaci řetězce

è molekulu DNA tvoří dva polynukleotidové řetězce[7] stočené do pravotočivé dvoušroubovice, řetězce jsou antiparalelní (jeden je ve směru 3´ - 5´ a druhý 5´ - 3´)

Dusíkaté báze jsou komplementární = komplementární párování bází, tzn. navzájem se doplňují, vždy se váže purinová báze s pyrimidinovou

A-T (2 H-můstky)

G-C (3 H-můstky)

Chargaffovo pravidlo – obsah molekul purinových bází se musí rovnat obsahu molekul pyrimidinových

Denaturace DNA – dojde k rozrušení vodíkových můstků, řetězce se oddělí

-          mohou za to enzymy, chemické látky, teplota,…

Renaturace DNA – dojde ke spojení komplementárních řetězců, jakmile pominou účinky denaturace

-          (ochlazení,…)

Struktura DNA:

1.       Primární – sekvence nukleotidů

2.       Sekundární – pravotočivá dvoušroubovice (double helix)[8]

3.       Terciární – prostorová konformace (=uspořádání) celé dvoušroubovice

RNA

= ribonukleová kyselina

Odlišnosti od DNA:

§    obsahuje ribosu

§    místo thyminu má uracil – A, G, C, U

§    obsahuje i jiné báze (pseudouridin, hypoxantin,…)

§    tvoří ji většinou jeden polynukleotidový řetězec

3 typy RNA:

1.       m-RNA (mediátorová RNA, messenger)

-          jednovláknová, uplatňuje se při transkripci (=přepisu), pořadí nukleotidů z DNA se přepíše do pořadí nukleotidů v m-RNA

2.       r-RNA (ribozomální)

-          stavební složka ribozomů

3.       t-RNA (transferová)

-          jednovláknová, vlákno je místy propojeno H-můstky mezi komplementárními bázemi a dochází ke vzniku sekundární struktury – „trojlístek“, terciární struktura – prostorové uspořádání trojlístku

3´ akceptorové rameno – zakončen CCA, funkce: navazuje se na něj specifická aminokyselina

Antikodonové rameno – specifická trojice nukleotidů = TRIPLET (= antikodon)

každý antikodon v t-RNA je komplementární k příslušné trojici nukleotidů (s kodonem) v      m-RNA

funkce t-RNA – přenáší navázané aminokyseliny do místa tvorby bílkovin (ribozomy), uplatňuje se při procesu translace = překlad sekvence nukleotidů v m-RNA do pořadí aminokyselin v bílkovinném řetězci (vytvořená bílkovina – enzym, hormon,…)

Replikace DNA

replika = kopie

proces samozdvojení = duplikace DNA

è z jedné mateřské dvoušroubovice DNA vznikají dva zcela shodné řetězce, nesoucí identickou genetickou informaci

è probíhá v S-fázi buněčného dělení (ještě před buněčným dělením)

Průběh replikace:

1.       Dojde k oddělení vláken mateřské DNA – přeruší se vodíkové můstky – a vzniknou dvě matrice (=předlohy, templáty)

2.       Dojde k přiřazování komplementárních nukleotidů (ke každému nukleotidu mateřského řetězce)

-          nové nukleotidy nově vznikajícího řetězce přiřazuje DNA-polymeráza

3.       Vznik dvou dvoušroubovic, přičemž každá má jeden mateřský řetězec a jeden nově vytvořený Replikace = semikonzervativní proces (napůl se něco zachová)

Výsledek – vznik dvou dceřiných geneticky shodných řetězců (=klony)

Směr syntézy nového řetězce DNA

Platí, že nové nukleotidy se napojují vždy na C3 předcházejícího nukleotidu (na konec 3´)

Směr syntézy 5´-3´ (z hlediska nově se vytvářejícího řetězce)

3´-5´ - templátová DNA (matrice) – zde není problém, je tu volný konec 3´, na který se může přiřadit nový nukleotid, probíhá rychle, vlákno vedoucí (tzv. kontinuální syntéza)

5´-3´ - zpožďující se řetězec – čeká se, až se rozvine DNA více, potom se až přiřazují nukleotidy, probíhá pomalu, vlákno je zpožďované (tzv. diskontinuální syntéza)

mateřské řetězce jsou antiparalelní, v důsledku toho má replika odlišný průběh (probíhá v opačném směru)

Kontinuální syntéza – na vedoucím mateřském vlákně, přiřazuje se nukleotid po nukleotidu, je rychlá

Diskontinuální syntéza – probíhá na opačném konci vlákna mateřského řetězce, probíhá po oddělených úsecích (= Okazakiho fragmenty, ty spojí enzym DNA-ligáza), je pomalejší

Genová exprese

exprese – vyjádření genetické informace z DNA do znaku organismu

znak: tvorba enzymů, barva očí, květů,…

umožněna: proteosyntézou

exprese má 2 fáze: transkripci a translaci

Transkripce (=přepis)

-          probíhá uvnitř jádra

-          sekvence nukleotidů v DNA se přepíše do sekvence nukleotidů v m-RNA

-          jeden řetězec DNA označovaný jako templátová slouží jako matrice (=vzor)

-          v místě počátku genu[9] enzym RNA-polymeráza přiřazuje komplementární nukleotidy

-          syntéza je ve směru 5´-3´ ´, na konci genu se vlákno m-RNA odpojí

Translace (=překlad)

-          překládá se genetická informace ze sekvence nukleotidů v m-RNA do sekvence aminokyselin v molekule bílkoviny

-          probíhá v ribozomech za pomoci t-RNA

Průběh translace:

1.       m-RNA vycestuje z jádra, koncem 5´ dosedá v místě počátku genu k menší podjednotce ribozomu

2.       t-RNA přináší do ribozomu navázané aminokyseliny

3.       dojde k navázání aminokyseliny na akceptorové rameno t-RNA, přičemž platí, že každá t-RNA váže pouze specifickou aminokyselinu (kolik je amk, tolik musí být typů t-RNA)

-          proteosyntézy se účastní 20 různých aminokyselin

4.       antikodonové rameno t-RNA se v ribozomu komplementárně páruje s kodonem m-RNA -> dochází k tomu na vazebných místech ribozomu (2) – „A“ a „P“ místo

A – místo (aminoacetylové, aminokyselinové) – vstupuje do něj t-RNA s navázanou aminokyselinou (v tom místě se páruje antikodon s kodonem)

P – místo (peptidické, bílkovinné) – obsahuje předchozí molekulu t-RNA, na níž je navázán už vzniklý peptidický řetězec

5.       mezi karboxylovou skupinou peptidového řetězce a aminoskupinou nově dopravené aminokyseliny se vytvoří peptidická vazba (odštěpí se molekula H2O)

6.       t-RNA, která přinesla aminokyselinu, se stává držitelem celého peptidového řetězce; na m-RNA je současně několik ribozomů (polyzómy)

7.       ribozomy se po m-RNA posunují a když doputují až na konec genu, tak se rozpojí a rozpadnou se na dvě podjednotky

Fakta:

-          platí, že sekvence m-RNA je čtena po tripletech;

-          jednotlivé triplety m-RNA určují zařazení jednotlivých aminokyselin;

-          sekvence tripletů udává sekvenci aminokyselin v bílkovině 

Genetický kód – systém přiřazení aminokyseliny k danému tripletu

·  je univerzální - u všech organismů stejný (např. „AAA“ u všech kóduje lysin)

·  je tripletový - 3 báze kódují 1 aminokyselinu

·  je degenerovaný – 4 báze tvoří vždycky trojice

è  mám 64 (4³) různých tripletů, ale pouze 20 různých aminokyselin

è 1 aminokyselina může být kódována několika různými triplety

iniciační kodon – označuje v m-RNA počátek překladu, kóduje Methianin (každý bílkovinný řetězec začíná methianinem)

terminační kodony – kodon „UAA“, „UGA“, „UAG“ označují závěr překladu, dojde k odpojení bílkovinného řetězce (konec genu, překladu), nekódují žádnou aminokyselinu

è celkem kóduje aminokyseliny jen 61 tripletů

Stavba genu

Gen – specifická sekvence nukleotidů, která má určitou funkci

1.       Strukturní geny – všechny, které kódují bílkoviny (bílkoviny stavební – aktin, myosin, kolagen; bílkoviny s fyziologickou funkcí – hormony[10], enzymy, regulační proteiny[11]), jsou přepisovány a překládány

2.       Geny pro RNA – kódují tvorbu t-RNA a r-RNA; jsou pouze přepisovány do sekvence RNA

3.       Regulátorové geny – řídí strukturní geny, nachází se tam regulační oblasti

regulační oblasti – řídí expresi genu (přepis a překlad), jsou 2:

a)      Promotor – specifická sekvence před strukturním genem, která zahajuje transkripci genu (na tu sekvenci nasedá RNA-polymeráza tak proto zahajuje), tato sekvence se nepřepisuje do m-RNA

b)      Terminátor – specifická sekvence za strukturním genem, (odpojení RNA-polymerázy), tato sekvence se přepisuje do m-RNA

mezi promotorem a terminátorem je strukturní gen:

Délka genu

-          vyjádřena počtem nukleotidových párů

-          jednotka bp (base pairs)

-          většina genů má několik tisíc až miliónů párů bází (1pár G-C, 1 pár A-T, atd…)

kbp – kilobáze = 10³ bp

Mbp – megabáze = 10⁶ bp

---

[1] jednoleté kvetoucí rostliny

[2] přišel na to, k jaké části genu pasuje jaká aminokyselina (způsob vzniku bílkovin z aminokyselin)

[3] vlivy jsou většinou multifaktoriální (z obojího trochu)

[4] cytom=buňka

[5] zbytek kys. fosforečné (H₃PO₄)

[6] v RNA je nahrazen uracilem (U)

[7] vodíkové můstky propojují oba řetězce mezi dusíkatými bázemi

[8] umožněna vytvořením vodíkovými můstky

[9] ne v celém vlákně DNA!

[10] např. inzulin, glukagon

[11] např. represor