Molekulární biologie: Nukleové kyseliny

• Molekulární biologie studuje život na úrovni molekul a zaměřuje se hlavně na nukleové kyseliny.

Nukleové Kyseliny

• Nukleové kyseliny (NA nebo NK) jsou makromolekulární látky přítomné v každé buňce.
• Uchovávají a přenášejí genetickou informaci.

Dělení Nukleových kyselin

• DNA (deoxyribonukleová kyselina).
• RNA (ribonukleová kyselina).

Umístění DNA a RNA v buňkách

• DNA se v prokaryotické buňce nachází v jádře a plasmidech.
• V eukaryotické buňce je DNA přítomna v jádře, mitochondriích a chloroplastech.
• RNA se v eukaryotické buňce nachází v jadérku, v ribozomech a volně v cytoplazmě.

Stavba Nukleotidů

• Základní jednotkou DNA i RNA je nukleotid.
• Nukleotid se skládá z dusíkaté báze, pětiuhlíkatého cukru a fosfátu.

Dusíkaté báze

• Pyrimidinové báze: thymin (T), cytosin (C) a uracil (U).
• Purinové báze: adenin (A) a guanin (G).
• DNA obsahuje adenin, thymin, cytosin a guanin.
• RNA obsahuje adenin, uracil, cytosin a guanin.
• Adenin se páruje s thyminem (A = T) pomocí dvou vodíkových můstků.
• Cytosin se páruje s guaninem pomocí tří vodíkových můstků.

Pětiuhlíkatý cukr

• V DNA se nazývá deoxyribóza.
• V RNA se nazývá ribóza.

Fosfát

• Pochází z kyseliny fosforečné (H3PO4 – trihydrogenfosforečné).
• Navazuje se na 3' a 5' uhlík cukru.
• Bez fosfátu se jedná o nukleosid (pouze cukr a báze).
• Pokud je přítomen i fosfát, je to nukleotid.
• N-glykosidická vazba je mezi cukrem a bází.
• Fosfodiesterová vazba je mezi cukrem a fosfátem a vodíkové můstky jsou pevné.

Struktura DNA

• Primární struktura: pořadí bází v řetězci (např. ACCTAAGATCCG...).
• Sekundární struktura: dvoušroubovice (double helix), objevena v roce 1953 Jamesem Watsonem, Francisem Crickem a Mauricem Wilkinsem.
• Rosalind Franklinová přispěla k objevu rentgenovými snímky.
• Dva polynukleotidové řetězce jsou spojeny vodíkovými můstky.
• Fosfáty jsou umístěny vně, báze uvnitř a cukr je neutrální uprostřed.
• Erwin Chargaff formuloval Chargaffova pravidla: poměrné zastoupení A/T nebo C/G je stejné = konstantní = 1.
• Pokud je obsah guaninu v DNA člověka 30%, obsah cytosinu je také 30%, a adeninu a thyminu po 20%.
• Terciální struktura: DNA se stáčí (spiralizace nebo kondenzace). Vodíkové můstky se dají přerušit (denaturace DNA), například silnými zásadami, enzymy, teplotou nebo peroxidy. Tento proces je vratný a řetězce se mohou opět spojit (renaturace). Komplementární vlákno k 5' TCAAGCTTC 3' je 3' AGTTCGAAG 5'.

Funkce DNA

• Uchovává genetickou informaci.
• Gen je úsek DNA, podle kterého se tvoří bílkovina.

Struktura RNA

• Jednořetězcová.
• Místo thyminu obsahuje uracil.
• mRNA (mediátorová/messenger RNA): přenáší genetickou informaci z jádra na ribozom.
• Vzniká v jádře přepisem z DNA.
• tRNA (transferová RNA): přenáší aminokyseliny na ribozóm.
• rRNA (ribozomální RNA): má tvar jetelového lístku, tvoří ribozóm a vzniká v jadérku.

Genetický kód

• Způsob zápisu genetické informace v molekule DNA.
• Ke kodónu na mRNA je přiřazena určitá aminokyselina.
• Genetický kód je univerzální a degenerovaný (více kodónů kóduje jednu aminokyselinu).

Genetické kodony

• Existuje 64 různých kombinací nukleotidů (kodónů).
• Pouze 61 tripletů kóduje aminokyseliny.
• 3 kodóny jsou stop kodóny (terminační): UAA, UGA, UAG.
• AUG je zahajovací kodón (iniciační) a kóduje methionin.
• 21–23 aminokyselin vytváří bílkoviny.

Gen

• Úsek DNA, který podmiňuje tvorbu určité bílkoviny a znaku.
• Strukturní geny: obsahují informaci o primární struktuře DNA a kódují proteiny se stavební nebo biochemickou funkcí.
• Regulační geny: nepřenášejí informaci, ale podílí se na expresi genu.
• Geny pro syntézu tRNA a rRNA.
• Dogma molekulární biologie: DNA -> mRNA -> bílkovina.

Replikace

• Kopírování molekuly DNA.
• Probíhá v jádře buňky, v S fázi buněčného cyklu a v replikonech.
• Prokaryotická buňka: má pouze jeden replikon a replikace probíhá zipovým způsobem.
• Eukaryotická buňka: probíhá na více místech současně (více replikonů) a replikace probíhá bublinovým způsobem.
• Pro replikaci je potřeba: volné nukleotidy A, T, C, G, templát (mateřská DNA), ATP (energie) a enzymy (DNA-polymeráza, helikáza, DNA-ligáza, primáza).
• Replikace probíhá semikonzervativním způsobem – jedna vlákna původní druhé nové.

Průběh replikace

• Začne v jednom místě (replikační začátek – ORI místo).
• Začíná replikační vidlička: helikáza rozrušuje vodíkové můstky.
• Vedoucí řetězec: syntetizuje se kontinuálně rychle.
• Okazakiho fragmenty: syntetizují se po částech a spojuje je DNA-ligáza.
• Řetězec syntetizuje proti směru rozplétání, proto syntetizuje po částech (váznoucí).*
• Výsledkem replikace jsou dvě molekuly DNA, z nichž jedna je předloha a druhá je nová.

Transkripce

• Přepis genetické informace z DNA do molekuly RNA.
• Transkripcí vzniká mRNA v jádře, mitochondriích a chloroplastech.
• Potřebné materiály: volné nukleotidy (A, U, C, G), jedno vlákno DNA (matrice, templát) a RNA polymeráza, energie.
• Průběh: RNA-polymeráza rozplétá DNA a připojuje nukleotidy ve směru 5' -> 3'
• Rychlost: 80 tripletů za sekundu.

Zpracování RNA

• Prokaryotní buňka: vzniká hotová RNA (nevyžaduje další úpravy).
• Eukaryotická buňka: vzniká nehotová RNA (primární transkript neboli hnRNA) -> sestřih introny, tvorba čepičky a poly(A)konec.
• Sestřih RNA: po vzniku mRNA jsou vystřiženy introny.
• Tvorba čepičky: na 5' konci (zajišťuje vazbu mRNA na ribozóm).
• Polyadenylace: na 3' konci (přijde 50–250 adeninů-chrání před hydrolitickými enzymy).

Translace (proteosyntéza)

• Překlad genetické informace z mRNA do molekuly bílkoviny.
• Probíhá na ribozómech.
• Vzor: mRNA.
• Materiál: aminokyseliny, tRNA (přenáší AMK).
• Energie: ve formě GTP.
• Malá podjednotka ribozomu se váže na mRNA čepičkou -> připojí se velká podjednotka -> ribozóm se pohybuje po mRNA a proteosyntéza začíná methioninem (AUG) -> na základě kodónů a antikodónu se váže tRNA, která nese AMK -> spojováním aminokyselin vzniká polypeptidový řetězec (peptidové vazby).
• Translace končí stop kodóny (UAG, UGA, UAA).
• Výsledkem je molekula bílkoviny, která přechází do ER (endoplazmatického retikula), tRNA se rozpustí v cytoplazmě.