Hlavní typy molekul

Hlavní typy molekul v souvislosti s tokem informací v živých systémech

· v buňce lze za molekuly, přenášející informace považovat téměř  každou látku, organickou i anorganickou, protože ve své podstatě mohou být do informačního řetězce a řízení organismu zapojeny např. i kationty vápníku (i jejich zvýšená hladina může vyvolat okamžitý přenos informací a reakcí organismu)
· větší význam mají hlavně proteiny, které jednak fungují ve významu hormonálního řízení organismu (viz. otázka hormony) a pak také zprostředkovávají mechanický přenos látek přes membrány buněk
· asi nejpodstatnější jsou nukleové kyseliny, nesoucí genetickou informaci organismu
 
Chemické složení buňky
· makrobiogenní prvky: mají v buňce vysoký obsah, patří sem H, O, C, N, P a S a volné kationty obsažené v protoplazmě (K+, Na+, Cl-, Mg2+), ionty Ca2+ jsou obvykle vázány na organické sloučeniny nebo v nerozpustných solích, Fe pak v komplexech organických sloučenin
· oligobiogenní prvky: patří sem mnohé těžké kovy – Zn (proteiny s enzymatickou aktivitou), Mn (přenos elektronů při fotosyntéze), Co (součást vitaminu B12), Mo, Se (v bakteriích) a B (nezbytný pro růst rostlin)
· mikrobiogenní prvky: v buňce je jich obsaženo velmi malé množství
· voda: tvoří většinu hmoty buňky a je na ní závislý život, protože většina chemických dějů v buňce probíhajících je závislá na vodném prostředí
· anorganické ionty: nejvíce buňka hromadí kationty K+, v nižší koncentraci pak Na+, Mg2+ a Cl-, ve velmi  nízké koncentraci volné ionty Ca2+, na stabilizaci pH se pak podílí fosfáty (HPO42- a H2PO4-) a bikarbonáty (hydrogenuhličitany)
· osmotický tlak: uplatňuje se u polopropustných biomembrán, kdy přes membránu prochází rozpouštědlo (voda) a anorganické a občas nízkomolekulární organické látky zůstávají uvnitř buňky a tvoří osmotický tlak (ten vzniká vyrovnáváním koncentrací uvnitř a vně buňky, voda je nasávána do koncentrovanějšího prostředí)
· nerozpustné anorganické látky: nejčastěji v opěrných strukturách (schránky, skelety apod.), patří sem např. Ca3PO4, CaCO3 nebo hydratovaný SiO2
· z organických látek se v buňkách vyskytují sacharidy v různých podobách, aminokyseliny a jejich deriváty, alkaloidy (dusíkaté sloučeniny vzniklé z aminokyselin, pro živočichy toxické, vyskytují se v rostlinách, např. nikotinamid který je součástí koenzymů NAD a NADP), dále peptidy, resp. proteiny, nukleotidy (složky nukleových kyselin), izoprenoidy (v rostlinách) a  lipidy (fosfolipidy v membránách, tuky)
· sacharidy mají funkci stavební, zásobní, zdroj energie
· bílkoviny mají nejrůznější funkce, hlavně to jsou katalyzátory (enzymy) a hormony (řízení organismu), transportéry látek (průnik přes membránu) a stavební význam
· aminokyseliny jsou esenciální pro tvorbu bílkovin
· lipidy jsou stavební a zásobní látkou, zdroj energie a tepelná a mechanická izolace
· nukleové kyseliny jsou lineární polymery, jsou nositelem genetické informace
 
Průnik látek biomembránami
· nespecifický
-  látky, či ionty, prochází přímo lipidovou dvouvrstvou
-  pronikají tak nepolární látky (kyslík, oxid uhličitý) nebo málo polární látky (ethanol, mastné kyseliny, některé hormony) nebo polární látky s malou molekulou (voda, močovina)
· specifický
-  pře proteinový přenašeč (transmembránový protein)
-  pasivní: po koncentračním (elektrochemickém) spádu (sodík dovnitř, draslík ven)
-  primární aktivní transport: přenášená látka jde proti směru koncentračního spádu, zprostředkováno změnou tvaru proteinu, spotřebovává se ATP (např. sodnodraselná pumpa využívá ATP na přenos 3 Na+ z buňky a 2 K+ dovnitř buňky)
-  sekundární aktivní transport: využívá koncentračního spádu iontů (např. sodný kationt se dostane dovnitř, uvolní se energie a ta se použije na vstup glukózy do buňky – jakoby se sveze spolu se sodíkem)
· informace se do buňky přenáší systémem receptorů – na receptor se naváže ligand (často hormon), receptor převede signál dovnitř buňky pomocí 2. posla nebo samotný ligand vstupuje do buňky a přenáší informaci do centra
 
Nukleové kyseliny
· makromolekulární, biopolymerní látky s vláknitou strukturou
· vyskytují se ve všech živých organismech
· jejich hlavní funkcí je přenos a uchovávání genetické informace (informace o průběhu všech životních procesů
-  DNA (uchování genetické informace v buněčných jádrech)
-  RNA (přenos genetické informace do struktury bílkovin
· základní stavební složkou je nukleotid (skládá se ze tří složek)
-  kyselá složka (fosfát, zbytek od kyseliny fosforečné –HPO4)
-  dusíkatá báze
•  pyrimidinové (uracil, cytosin, thymin)
•  purinové (adenin, guanin)

-  sacharid (pentóza)
•  β-D-ribofuranosa (v RNA)
•  2-deoxy-β-D-ribofuranosa (v DNA)
· mezi dusíkatou bází a sacharidem je N-glykosidická vazba, mezi sacharidem a fosfátem esterová vazba
· fosfát je v rámci nukleotidu vázán na 5. uhlík sacharidu, dusíkatá báze pak na 1. uhlík
· mezi sebou se nukleotidy vážou přes 3. uhlík sacharidu pomocí fosfátu
· menší stavební jednotka nukleosid se skládá pouze z dusíkaté báze a sacharidu
-  adenosin, guanosin, cytidin, thymidin, uridin
· při vzniku nukleotidu dochází k esterifikaci, kdy se z kyseliny fosforečné odebírá OH skupina
-  nukleotid se pak jmenuje např. adenosin-5-fosfát (RNA) či 2-deoxycytidin-5-fosfát (DNA)
· při spojování nukleotidů (esterifikací) se z fosfátu odděluje další OH skupina
· spojení více nukleotidů = polynukleotidový řetězec
· polynukleotidové řetězce (samostatná vlákna DNA či RNA) se mezi sebou spojují vodíkovými můstky na základě komplementarity bází
-  v DNA: A – T (2 můstky), G – C (3 můstky)
-  v RNA: A – U (2 můstky), G – C (3 můstky)
· Chargaffovo pravidlo – v DNA se celkové množství purinových bází rovná celkovému množství pyrimidinových (množství T = množství A, množství G = množství C)
 
DNA – deoxyribonukleová kyselina
· nositelka genetické informace u drtivé většiny organismů
· uchovává informace o dědičných znacích organismu
· především v jádře, mimojaderné v mitochondriích a chloroplastech
· struktura
-  primární: dána pořadím bází v polynukleotidovém řetězci
-  sekundární: dvouvláknová
•  2 polynukleotidové řetězce v pravotočivé šroubovici (double helix)
•  na jednu otočku připadá 10 nukleotidů
•  některé virové DNA jsou jednovláknové
-  terciální: dána konečným prostorovým uspořádáním
· vlákna dvoušroubovice jsou protisměrně orientována (3‘-5‘ a 5‘-3‘ – podle konečného uhlíku sacharidu) – antiparalelní
· pokud se dva konce DNA spojí, vzniká cirkulární DNA
· výjimečně může být DNA i jednořetězcová (jedno a dvojvláknovou DNA mají viry, dvojvláknovou pak běžné organismy)
· obsahuje báze guanin, cytosin, adenin a thymin a pětiuhlíkatou 2-deoxy- β-D-ribosu
 
RNA – ribonukleová kyselina
· nositelka genetické informace u RNA-virů a retrovirů, tam se nachází často v dvojřetězcové podobě
· u ostatních organismů je taktéž nositelkou genetické informace – obsahuje genetický kód pro tvorbu proteinů
· vyskytuje se především v cytoplazmě buněk, v jadérku a v některých organelách
· struktura
-  primární: dána pořadím bází v polynukleotidovém řetězci
-  sekundární: místy může přiblížením dojít ke zdvojení, za normálních okolností však pouze jednovláknová
-  terciální: dána konečným prostorovým uspořádáním
· obsahuje guanin, cytosin, adenin a uracil a pětiuhlíkatou β-D-ribosu
· mnohem kratší molekula než DNA – tvořena maximálně několika desítkami či stovkami nukleotidů
· tři typy RNA:
-  ribozomální rRNA
•  stavební složka ribozomů, v nichž probíhá proteosyntéza
•  ovlivňuje činnost ribozomu a tak okrajově i translaci
-  mediátorová mRNA
•  zprostředkovává přenos informace z DNA na ribozomy a je matricí pro tvorbu bílkovin (obsahuje genetický kód)
•  mRNA se spojí s ribozomem a na její trojice bází (triplety, kodony) přináší tRNA s komplementárními antikodony aminokyseliny, jež se činností ribozomu spojují do polypeptidového řetězce – translace, proteosyntéza
-  transferová tRNA
•  přináší na ribozom aminokyseliny, pro tvorbu proteinů
•  obsahuje přibližně 100 nukleotidů, molekula má tvar jetelového listu
•  aktivovaná tRNA = tRNA s navázanou aminokyselinou na tzv. akceptorovém místě
•  na prostřední „smyčce“ umístěn antikodon – triplet bází komplementární ke kodonu na mRNA
•  pro každou z 20 základních biogenních aminokyselin existuje více tripletů, které je mohou kódovat, proto z mRNA lze vyčíst strukturu proteinu, nikoli však naopak
 
Prokaryotický a eukaryotický chromozom
· prokaryotický chromozom
-  jedná se o jednu molekulu DNA stočenou do kružnicovitého tvaru (dvouřetězcová DNA)
-  proteiny jsou vázány jen na některých místech
-  prokaryotický chromozom se replikuje vždy z jednoho místa, tzv. počátku replikace, replikace pak postupuje ne obě strany a končí ve chvíli, kdy se replikační centra sejdou
· eukaryotický chromozom
-  jsou tvořeny DNA a proteiny, shlukují se do zřetelných struktur pouze před mitózou nebo meiózou
-  jádro eukaryotické buňky obsahuje větší počet chromozomů (23 u haploidních organismů, 46 u diploidních)
-  DNA chromozomu je lineární, má tedy dva konce
-  vlákno DNA je navázáno na zásadité proteiny (tzv. histony), vzniklé komplexy DNA omotané kolem histonů jsou nukleozomy
-  na každém nukleozomu jsou asi 2 závity, jeho průměr je 7 nm
-  histony jsou pak svinuty do vyšší šroubovice – solenoidu (cívky)
-  solenoidy pak tvoří smyčky kolem nehistonových proteinů
-  zformovaný chromozom se skládá ze dvou telomer a jedné centromery, na niž se při dělení upíná dělící vřeténko
 
Přenos genetické informace
· přenos genetické informace probíhá pomocí tří procesů – replikace, transkripce a translace
· genetická informace je obsažena ve sledu nukleotidů, resp. v nukleotidových sekvencích určitých funkčních typů nukleových kyselin
· v nukleových kyselinách mohou být obsaženy tyto informace
-  informace o primární struktuře proteinu (v sekvenci DNA i RNA)
-  DNA může obsahovat informaci o primární struktuře biologicky funkční RNA (tRNA, rRNA)
-  RNA může obsahovat informaci  o primární struktuře DNA
-  dále DNA obsahuje genetický záznam o vlastnostech jedince
· proces přenosu genetické informace je formulován v ústředním dogmatu molekulární biologie
-  přenos genetické informace je jedině možný z nukleové kyseliny do nukleové kyseliny nebo z nukleové kyseliny do proteinu, ale její zpětný přenos z proteinu do nukleové kyseliny možný není
-  ústřední dogma molekulární biologie definoval Crick roku 1957/58
· nelze tedy přenášet genetickou informaci např. z proteinu do proteinu apod., přenos může probíhat jen prostřednictvím následujících procesů
 
Replikace
· dochází k ní vždy před dělením buňky
· probíhá v buněčném jádře nebo v semiautonomních organelách
· tvorba kopií molekul nukleových kyselin zajišťující přenos genetické informace z DNA do DNA nebo z RNA do RNA – tedy z jedné do druhé molekuly stejného typu
· kopie vzniklá replikací se nazývá replika
· replikace dvojřetězcové DNA probíhá semikonzervativním způsobem – dvoušroubovice se rozplétá a obě vlákna slouží jako matrice pro tvorbu vláken nových, vždy jedno vlákno vznikajících dvojšroubovic je tedy z molekuly původní
· základem tohoto matricového (templátového) způsobu kopírování je matrice (templát) – je zajištěno, že se genetická informace nezmění, protože každá nová molekula obsahuje i část templátu
· u virové jednořetězcové RNA dochází k replikaci tak, že se dočasně syntetizuje druhé vlákno RNA a vzniká dvoušroubovice, následně se vlákna oddělí a každé funguje zvlášť jako matrice pro další replikaci
· v určitém čase vždy proběhne replikace od určitého místa k jinému konkrétnímu místu
· tento replikovaný úsek DNA se nazývá replikon, nebo jednotka replikace – začíná určitou specifickou sekvencí nukleotidů, která je rozpoznána útvarem replikačních proteinů jako začáteční, tzv. část ori
· tady tedy replikace začíná a naopak končí ve chvíli, kdy se vyskytne jiná sekvence, replikačními proteiny rozeznaná jako konečná
· činnost DNA polymerázy vždy musí začínat od jednoduchého oligonukleotidu, tzv. DNA nebo RNA primeru, což je krátký úsek nukleotidů, který poskytuje 3‘ konec pro zahájení syntézy
· syntéza vždy probíhá od 5‘ konce k 3‘ konci
· probíhá buď kontinuálně nebo diskontinuálně – pomocí Okazakiho fragmentů
· Okazakiho fragmenty jsou krátké úseky syntetizované na jednom z vláken, syntetizují se najednou na několika místech, poté jsou pospojovány, protože tu syntéza běží v protisměru replikační vidlice, takže jakoby zpožděně, pozpátku – RNA polymeráza po fragmentech skáče
· průběh replikace bakteriální DNA
-  je semikonzervativní a semidiskontinuální (na jednom řetězci probíhá replikace kontinuálně, na druhém diskontinuálně pomocí Okazakiho fragmentů)
1.  rozpletení řetězce
-  porušením vodíkových můstků se rozrušuje struktura
-  odvíjení DNA řetězců probíhá účinkem DNA-helikázy
-  vytváří se replikační vidlice
2.  kontinuální syntéza řetězce 3‘-5‘
-  na ori místo nasedne DNA polymeráza (ta umí nasednout pouze na 3‘ konci) a řadí za sebe nukleotidy dle pravidla komplementarity, po směru pohybu replikační vidlice
-  nukleotidy spojuje fosfodiesterovými vazbami DNA ligáza
3.  diskontinuální syntéza řetězce 5‘-3‘
-  vytvoření primeru (pomocí DNA polymerázy) – poskytuje 3‘ konec pro tvorbu Okazakiho fragmentů
4.  spojení Okazakiho fragmentů
-  pomocí DNA ligázy za vystříhání DNA primerů DNA polymerázou
· průběh replikace eukaryotní DNA
-  stejný jako u bakterií, až na pár rozdílů
-  zároveň probíhá replikace na více místech, existuje více souběžně replikovaných úseků (u bakterií je jen jeden, i když existují Okazakiho fragmenty, protože ty stále fungují na prostoru jednoho replikačního centra)
-  problematické zakončování lineárních dvouřetězcových chromozomů – poslední primery tu nejsou, chybí 3‘ konec, proto tu působí telomeráza, která zbytek doreplikuje
 
Transkripce
· transkripce je přepis informace z DNA do tzv. hnRNA, která se dále upravuje na mRNA, tRNA nebo rRNA
· přepisují se jen některé části DNA, podle potřeby proteinů (RNA je totiž zásadní pro tvorbu bílkovin a vychází při tom z přepsané genetické informace)
· někdy může probíhat tzv. reverzní transkripce – zpět z RNA do DNA, ale tento děj se obvykle vyskytuje pouze u některých virů
· každý gen se skládá s intronů a exonů, přičemž exony nesou genetickou informaci a introny ji nenesou
· v posttranskripčních úpravách dochází k vystříhávání zkopírovaných intronů
· pro transkripci je podstatný promotor – sekvence bází, na kterou nasedne RNA polymeráza nejprve a rozhodne, zda transkripce bude nebo nebude probíhat, vždy je promotor umístěn jen na jednom vlákně, aby bylo jasné, které se má přepisovat
· poté následuje exon obsahující kodon, replikace pak končí rovněž exonem, který obsahuje stopkodon (terminátor)
· transkripce bakteriální RNA
1.  na promotor nasedne enzym RNA polymeráza a připojuje ribonukleotidy na 3‘ konec
2.  tímto způsobem probíhá transkripce až do chvíle, kdy polymeráza narazí na stopkodon (terminátor)
3.  posttranskripční úpravy
-  bakteriální RNA vzniká bez intronů, tudíž je není třeba vystřihovat
-  přímo transkripcí vzniká mRNA, která se hned zapojuje do procesu translace
-  ani nedostává guanosinovou čepičku a polyadenosinový ocásek, protože proteosyntéza začíná v zápětí
-  dále vzniká pre-rRNA, která se upravuje na pravou rRNA, stejně tak je tomu s tRNA
-  transkripce je tu řízena pomocí regulačních proteinů (operonový model regulace genové exprese)
· transkripce eukaryotní DNA
-  stejná jako u bakterií, ale je tu jiná regulace a jiné posttranskripční úpravy
-  regulace probíhá pomocí tzv. transkripčních faktorů, což jsou velké skupiny proteinů schopné se vázat na promotor a tak regulovat, zda transkripce proběhne nebo ne
-  posttranskripční úpravy tu probíhají v jádře, kde se vystříhají introny
-  dále na novou mRNA a tRNA nasedne na 3‘ konec polyadenosinový ocásek, na 5‘ konec pak methylguanosinová čepička (chrání je před rozežráním určitými enzymy při průchodu buňkou)
 
Translace
· překládání genetické informace z mRNA do primární struktury proteinu, překlad podle genetického kódu (tj. souvislosti mezi bázemi a aminokyselinami, které k nim patří)
· na řetězci mRNA se nachází triplety bází, tzv. kodóny
· každému kodónu odpovídá jedna aminokyselina ze dvaceti esenciálních, proteinogenních
· zároveň ale jednu aminokyselinu může kódovat více možných kodónů, z toho důvodu lze z genetického kódu vyčíst strukturu proteinu, nikdy ale ne naopak
· aminokyseliny je třeba aktivovat aminoacyl-tRNA syntetázou, čímž vzniknou molekuly aminoacyl-tRNA
· tRNA (v podobě jetelového listu) má na sobě navázanou aminokyselinu a zároveň obsahuje tzv. antikodón – triplet bází komplementární k patřičnému kodónu
· rRNA, resp. ribozóm zprostředkovává spojení kodónu a antikodónu a také utváří vazbu mezi jednotlivými aminokyselinami a tak vznikají polypeptidové řetězce
· ribozóm se skládá z velké a malé podjednotky, které se spojují pouze za účelem translace
· v ribozómu jsou dvě čtecí pozice, jimiž čte kód mRNA – aminoacylové a peptidické
· proteosyntéza může probíhat volně v cytoplazmě, nebo na endoplazmatickém retikulu nebo v semiautonomních organelách na základě genetického kódu jejich DNA
· translace v bakteriální buňce
1.  iniciace
-  je třeba iniciačního faktoru (protein, řídící zahájení iniciace)
-  řídí zařazení první aminokyseliny, formylmethioninu, která odpovídá kodónu AUG
-  tento komplex tRNA a formylmethioninu se posouvá na peptidové místo
2.  elongace
-  jinak řečeno prodlužování
-  do aminoacylového místa nasedne dle komplementarity další aminokyselina
-  enzym peptidotransferáza spojí aminokyseliny peptidickou vazbou
-  komplex se posouvá do peptidového místa a předešlá tRNA odchází, již bez aminokyseliny, která je vázána v řetězci
-  do aminoacylového místa přichází další aminokyselina atd.
3.  terminace
-  jinak zváno zakončení
-  přítomností terminačního kodónu (UAA, UAG, UGA), který nekóduje žádnou aminokyselinu, nýbrž na sebe váže vodu, dochází k ukončení translace
-  následně se oddělují podjednotky ribozómu
· translace v eukaryotní buňce
-  probíhá stejně jako u bakterií, až na pár rozdílů
-  probíhá v cytoplazmě, mitochondriích a chloroplastech
-  iniciační kodón je stejný (AUG), ale kóduje první aminokyselinu methionin