Genetika – nukleové kyseliny a expresia génu

Genetika – nukleové kyseliny a expresia génu

Prenos genetickej informácie na molekulovej úrovni prebieha v 3 procesoch:

1. Replikácia (syntéza DNA) – na to aby mohla DNA plniť svoju základnú funkciu, t.j. uchovávať a odovzdávať genetickú informáciu, musí mať schopnosť zdvojenia, čo sa uskutočňuje jej replikáciou (kopírovaním). Replikácia DNA prebieha v S-fáze bunkového cyklu. Pri replikácii sa DNA a jej genetická informácia zdvojuje. Replikáciou 2-reťazcovej molekuly DNA vznikajú vždy 2 identické (navzájom totožné) molekuly, ktoré sú rovnaké ako pôvodná molekula. Replikácia DNA prebieha pred každým mitotickým delením bunky. Syntézu katalyzuje enzým DNA – polymeráza.

Expresia génu – prebieha ako dvojstupňový proces. Zahŕňa procesy transkripcie – prepisu genetickej informácie z DNA do mRNA – syntéza mRNA a translácie – prekladu genetickej informácie z poradia nukleotidou do poradia aminokyselín – syntéza bielkovín – proteosyntéza.

1. Transkripcia genetickej informácie – syntéza RNA – je vlastne syntézou molekúl mRNA podľa matrice DNA. Transkripciu katalyzuje enzým RNA – polymeráza, ktorý pripája podľa princípu komplementarity základné stavebné jednotky (za spotreby ATP) do syntetizovanej molekuly mRNA. Pri eukaryótoch sa väčšina molekúl RNA syntetizuje v jadre, časť v mitochondriách pri rastlinách a chloroplastoch. Transkripcia je prvým stupňom expresie génu. Počas nej sa reťazce od seba oddelia a jeden z tých reťazcov je vzorom pre syntézu mRNA ( ktorý z reťazcov to bude rozhoduje RNA-polymeráza).
2. Translácia genetickej informácie – samotná proteosyntéza (syntéza bielkovín). Je to preklad štruktúrnych génov z abecedy pozostávajúcej zo štyroch písmen (nukleotidov) do abecedy pozostávajúcej z 20 písmen (aminokyselín). Tvorba nových bielkovín v bunke, čiže proteosyntéza je jedným z najdôležitejších metabolických procesov. Syntéza bielkovín sa uskutočňuje na ribozómoch. Každý ribozóm pozostáva z rRNA a bielkovín (utvárajúcich spolu veľkú a malú podjednotku). Triplety nukleotídou sú matricou na tvorbu polypeptidových reťazcov. Napriek tomu, že medzi AMK a bázami nukleotídou nie je komplementarita, poradie kodónov v mRNA určuje poradie AMK v polypeptidovom reťazci. Umožňuje to ďalší druh RNA a to transferová RNA (tRNA), pre ktorú je typická štruktúra pripomínajúca ďatelinový list. V štruktúre tRNA sú dôležité 2 miesta a to koncový triplet (vždy CCA), na ktorý sa viaže aktivovaná AMK a ďalší triplet tzv. antikodón, ktorý je komplementárny s kodónom na mRNA. Molekuly tRNA sa dočasne pripájajú svojimi antikodónmi (komplementárnymi tripletmi) k jednotlivým kodónom mRNA, a tak prenášajú jednotlivé AMK zo zásoby voľných AMK v cytoplazme na ribozóm. Len čo sa tRNA, ktorá nesie určitú AMK priradí ku kodónu mRNA, utvorí sa peptidová väzba medzi novou AMK a AMK, ktorá už bola priradená k predchádzajúcemu kodónu mRNA. tRNA sa z ribozómu uvoľní a môže prenášať ďalšiu AMK. Každá AMK má svoju vlastnú tRNA, čiže musí byť najmenej 20 rôznych tRNA. Reťazec sa tvorí dovtedy, kým sa nevyčerpajú kodóny a kým nezasiahne terminačný kodón

Regulácia proteosyntézy

Bielkoviny sa syntetizujú podľa potrieb bunky a je regulovaná kvalitatívne a kvantitatívne.

Genetika prokaryótov

Prokaryotické jadro – nukleoid (tvorí ho jedna molekula DNA, ktorá je stočená do slučiek, aby sa zmestila do bunky – kruhová DNA) . Zároveň je aj prokaryotickým chromozómom. Majú difúzne jadro (od cytoplazmy nie je oddelené membránou). Má len jednu alelu.

Regulácia transkripcie štruktúrnych génov u prokaryótov

Na tom sa podieľajú transkripčné jednotky – operóny. Štruktúrne gény sú podriadené regulačným génom, ktoré začínajú alebo zastavujú transkripciu. Operátor a regulátor sú regulačné gény. Operátor + štruktúrne gény tvoria operón. Laktózový operón – reguluje syntézu enzýmu, ktorý rozkladá laktózu. Regulátor produkuje látku – represor (bielkovina), ten sa potom naviaže na operátor a tým je celý operón zablokovaný (vyradený). Transkripcia neprebieha. Laktóza, ak sa dostane do bunky, pôsobí ako induktor – naviaže sa na represor a ten prestane blokovať operátor. Celý operón sa opäť stane funkčným a začne prebiehať transkripcia štruktúrnych génov – vznik mRNA. Je to výhodné pre bunku, pretože bunka syntetizujú enzýmy podľa potrieb.

Jednosmerný prenos GI u baktérií

Okrem nepohlavného rozmnožovania sa môžu baktérie rozmnožovať aj spôsobom podobným pohlavnému rozmnožovaniu eukaryótov. Rozdiel je v tom, že pri baktériách nesplynie celý obsah krížiacich sa buniek, ale jednosmerne prechádza molekula DNA – chromozóm z bunky darcu do bunky príjemcu. Tento proces sa nazýva konjugácia.

Plazmidy

V bunkách baktérií sa nachádzajú okrem chromozómu aj menšie kruhové molekuly DNA – plazmidy. Niektoré majú len niekoľko génov, iné až niekoľko stovák. Majú schopnosť replikovať sa samostatne, nezávisle od chromozómov. Gény niektorých plazmidov kódujú rozklad rôznych organických látok , iné tzv. konjugačné plazmidy riadia konjugáciu baktérií.

mRna: CCC GCC AGC AUC CAC ACC GGC

AMK: prolín – alanín – serín – isoleucín – histidín – treonín – glycín

Úloha č.3

Panašovanie – dvoj- alebo viacfarebné pruhovanie alebo škvrnitosť zelených častí rastlín.

Mimojadrová dedičnosť

Mimojadrová (extrachromozomálna) dedičnosť je dedičnosť viazaná na semiautonómne bunkové organely, ktoré majú vlastnú DNA. Patria sem mitochondrie a u rastlín aj chloroplasty. Tieto organely nazývame aj extrachromozomálne genetické elementy. U prokaryot možno takýmito elementami nazývať plazmidy. Mitochondriálna DNA sa skrátene zvykne zapisovať mtDNA, chloroplastová DNA sa zapisuje cpDNA.

Dedičnosť viazaná na mimojadrovú DNA je typická:

• nemendelistickými štiepnymi pomermi v dcérskych generáciách, ktoré súvisia s rôznou distribúciou týchto organel pri bunkovom delení,
• rozdielnymi výsledkami recipročných krížení (samec × samica ≠ samica × samec), čoho príčinou je v mnohých prípadoch uniparentálny (po jednom z rodičov), a to často maternálny (matrilineárny) (po matke) prenos DNA
• vyštepovaním rekombinantných fenotypov aj pri mitotickom delení (taktiež súvisí s distribúciou organel pri delení buniek)
• príp. infekčným prenosom, tzn. prenosom genetickej informácie pri kontakte buniek bez výmeny jadrovej DNA (ale s výmenou cytoplazmy, v ktorej sa extrachromozomálne genetické elementy nachádzajú) – platí hlavne pre konjugatívne plazmidy alebo v prípade eukaryot môžu fenotyp buniek meniť baktérie a vírusy nachádzajúce sa v cytoplazme.

Príklad nemendelistickej dedičnosti

Maternálnu dedičnosť vykazuje znak panašovania listov nocovky jalapovitej (Mirabilis jalapa). U tejto rastliny je sfarbenie listov F1 generácie dané sfarbením samičej rastliny, pretože peľ neobsahuje prakticky žiadnu cytoplazmu a teda ani extrachromozomálne genetické elementy: ak je samičia rastlina zelená (chloroplasty), potomstvo bude zelené, ak je žltkastá až biela (vysoká prevaha leukoplastov), potomstvo bude biele.

Panašované rastliny majú zhruba ekvivalentný počet chloroplastov a leukoplastov, čo pri nerovnomernej mitotickej distribúcií týchto organel vytvára na listoch zelené, žlté a biele škvrny. Nerovnomerná distribúcia nastáva aj v meióze, takže takáto samičia rastlina produkuje tri typy pohlavných buniek – zelené, panašované a biele. F1 generácia už teda nebude uniformná.