Hlavní typy molekul

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