Seznam použitých zkratek (v abecedním pořadí)

Transkript

1 Seznam použitých zkratek (v abecedním pořadí) denin D lkoholdehydrogenasa DP denosindifosfát MP denosinmonofosfát P denosintrifosfát BM Bazální metabolismus ytosin M rassulacean cid Metabolism (metabolismus kyselin u tučnolistých) o Koenzym oq Ubichinon (koenzym Q) oq Ubisemichinon oq2 Ubichinol P ytidintrifosfát cyt ytochrom dmp Deoxyadenosinmonofosfát dp Deoxyadenosintrifosfát dmp Deoxycytidinmonofosfát dp Deoxycytidintrifosfát dgmp Deoxyguanosinmonofosfát dgp Deoxyguanosintrifosfát D Deoxyribonukleová kyselina dmp Deoxythymidinmonofosfát dp Deoxythymidintrifosfát ER Endoplasmatické retikulum FD xidovaný flavinadenindinukleotid FD 2 Redukovaný flavinadenindinukleotid Fd Ferredoxin FM xidovaný flavinmononukleotid FM 2 Redukovaný flavinmononukleotid G Guanin G Golgiho aparát GP Guanosintrifosfát DL Lipoproteinová částice o vysoké hustostotě (high density lipoprotein) hnr eterogenní jaderná ribonukleová kyselina IDL Intermediální lipoproteinová částice (intermediate density lipoprotein) LD Laktátdehydrogenasa LDL Lipoproteinová částice o nízké hustostotě (low density lipoprotein) mr Mediatorová ribonukleová kyselina ukleová kyselina D + xidovaný nikotinamidadenindinukleotid D Redukovaný nikotinamidadenindinukleotid DP + xidovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát DP Redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát P ukleosidtrifosfát P (P i ) norganický fosfát (P 2-4, 2 P - 4 ) P 680 Pigment reakčního centra fotosystému II Pigment reakčního centra fotosystému I P 700

2 p Plastocyanin PR Polymerase chain reaction PP i norganický difosfát (P ) pq Plastochinon pre-mr Primární transkript PS Fotosystém R Ribonukleová kyselina rr Ribosomální ribonukleová kyselina RuBiso Rubilosabisfosfátkarboxylasa SSB Svírací protein (single-strand binding protein) hymin tr ransferová ribonukleová kyselina U Uracil UP Uridintrifosfát vit. Vitamin VLDL Lipoproteinová částice o velmi nízké hustostotě (very low density lipoprotein) 2

3 2 ukleové kyseliny a syntéza bílkovin 2.1 Struktura D a R Existují dva typy nukleových kyselin (, z anglických slov nucleic acid): deoxyribonukleová (D) a ribonukleová (R). D je lokalizována v buněčném jádře, R v cytoplasmě. Jaká je primární struktura D a R? D a R jsou tvořeny z nukleotidů. ukleotidy se skládají: - z dusíkaté heterocyklické báze (z adeninu, cytosinu, guaninu, thyminu a uracilu); - z pentosy (z deoxyribosy v D, z ribosy v R); - ze zbytku kyseliny fosforečné denin ytosin Guanin hymin Uracil denin a guanin patří mezi deriváty purinu; thymin, cytosin a uracil patří mezi pyrimidinové deriváty. hymin, adenin, guanin a cytosin jsou složky D, kdežto R tvoří adenin, guanin, cytosin a uracil; Purin Pyrimidin 2 D-Ribosa 2 2-deoxy-D-ribosa P Kyselina fosforečná (ve vodných roztocích ve formě iontu viz kap. 4.1) 14

4 Jaký je rozdíl mezi nukleotidem a nukleosidem? ukleosid se skládá pouze z dusíkaté báze a pentosy P ukleosid (pentosa + báze) ukleotid (pentosa + báze + zbytek od kyseliny fosforečné) V uvedených vzorcích jsou uhlíky pentosy modře očíslovány (viz dále). Jak jsou jednotlivé nukleotidy mezi sebou vázány? Mezi fosfátovou skupinou na 5. uhlíku pentosy prvního nukleotidu a hydroxylovou skupinou na 3. uhlíku pentosy druhého nukleotidu vzniká tzv. fosfodiesterová vazba P P br. 20. Fosfodiesterová vazba a jednom konci D je hydroxylová skupina - pentosy (3' konec). a druhém konci D je fosfátová skupina od zbytku kyseliny fosforečné ( konec). a povrchu je velmi silně záporně nabitá. 15

5 2 konec D - P P P P - 2 br. 21. Úsek řetězce D 2 3 konec D o je komplementarita bází? Dusíkaté báze se mohou mezi sebou pomocí vodíkových vazeb párovat. o, které báze se budou mezi sebou párovat, není dáno náhodně. Je to dáno jejich komplementaritou, tj. adenin se páruje buď s thyminem (v D) nebo s uracilem (v R), guanin s cytosinem a naopak. oto komplementární párování bází umožňuje párům bází zaujmout energeticky nejvýhodnější konformaci v rámci dvoušroubovice. 3 adenin thymin guanin Jaká je sekundární struktura D? br. 22. Párování bází cytosin D je stočena do pravotočivé dvoušroubovice, která je stočena ze dvou komplementárních vláken D. Řetězce v dvoušroubovici D jsou vůči sobě antiparalelní, tzn. že polarita jednoho řetězce je opačná k polaritě druhého řetězce D. 16

6 3' G G G G G 3' br. 23. Polarita pravotočivé dvoušroubovice br. 24. Počítačový model D Vodíkové vazby a tato zdvojená šroubovice přispívají k co největší stabilizaci molekuly D. ypy D: B D (nejčastější) jedná se o pravotočivou dvoušroubovici mající zhruba 10 bází na závit; báze tvořící pár leží vždy v jedné rovině; dvoušroubovice D má na svém povrchu dva typy žlábků (malý a velký); D opět se jedná o pravotočivou dvoušroubovici; má 11 párů bází na závit; Z D jedná se o levotočivou dvoušroubovici; vytváří se, pokud se ve šroubovici objeví pravidelné opakování bází adeninu a thyminu; cirkulární D (kruhová D) prokaryotní D i D semiautonomních organel (např. mitochondrií) jsou kruhové. Jaká je sekundární struktura R? R je složena pouze z jednoho různě stočeného vlákna. Pokud se blízko sebe ocitnou dva komplementární úseky vlákna R, mohou se mezi bázemi vytvořit vodíkové vazby. ypy R: mr (informační, mediatorová) vzniká přepisem genů kódujících aminokyselinovou sekvenci proteinů a její základní funkcí je řídit vznik proteinu; rr (ribosomální) tvoří jádro ribosomů, na kterých je mr překládána do proteinu; tr (transferová) vybírá správné aminokyseliny a umísťuje je do správného místa na ribosomu, aby mohly být začleněny do rostoucího aminokyselinového řetězce. 17

7 rr a tr vznikají přepisem genů nekódujících aminokyselinovou sekvenci proteinu a jedná se o tzv. neinformační R. br. 25. Molekula tr 2.2 hromosom Jakou podobu zaujímá molekula D v lidském buňce? D každého organismu kóduje veškerou R a proteiny, které jsou potřebné pro vznik jeho buněk. Jádro typické lidské buňky má průměr přibližně 5-8 µm a obsahuje D o délce asi 2 metrů, (1) proto v eukaryotních buňkách jsou enormně dlouhé molekuly D asociovány se specifickými proteiny a sbaleny do chromosomů. U eukaryotních organismů je D v jádře rozdělena mezi sadu různých chromosomů. Každý chromosom se skládá z jedné molekuly D a komplexu bílkovin histonů, které jsou navázané na D, aby umožnily svinutí D do kompaktnější struktury. Komplex D a proteinů se nazývá chromatin. hromosomy se vyskytují v kondenzovaném stavu (sbaleném) jen v malé části buněčného cyklu, a to v době buněčného dělení (jedná se o tzv. mitotické chromosomy). Jinak jsou obvykle chromosomy značně rozvolněné a vypadají jako jedna dlouhá, tenká, vzájemně propletená vlákna (tzv. interfázové chromosomy). Před každým dělením buňky se každý chromosom musí samostatně zreplikovat (viz kap. 2.4) a jeho kopie musí být rozděleny do obou dceřinných buněk. V mitotických chromosomech se nachází již zreplikovaná D a transkripce (viz kap. 2.5) je během mitosy zastavena. Jaká je struktura interfázového chromosomu? Zjistilo se, že D je obtočena okolo histonového komplexu. Kolem histonového komplexu, jenž je tvořen 8 monomery histonů a má tvar nízkého válce o průměru 8 nm, je molekula D obtočena necelými dvěma závity - vzniká tak 10 nm vlákno. Komplex histonů a dvouřetězcové D, která ho obtáčí, se nazývá nukleosom. istonový komplex Spojníková D 10 nm Korálková forma chromatinu ukleosom br nm vlákno 18

8 Jednotlivé nukleosomy spolu souvisejí kratšími úseky D. istony jsou malé proteiny s vysokým obsahem kladně nabitých aminokyselin (lysin a arginin). yto pozitivní náboje umožňují pevné navázání histonů na negativně nabitou molekulu D (viz kap. 2.1). Jaká je struktura mitotického chromosomu? Před vstupem do mitosy (jedno ze stadií buněčného dělení) dochází k postupnému sbalování chromatinu. hromatin se dále stáčí za vzniku tzv. solenoidu. a jeden závit solenoidu připadá přibližně 6 nukleosomů. Vzniká tak 30 nm vlákno. 30 nm vlákno je dále organizováno do smyček připojených k centrální ose tzv. lešení (scaffold), které je bílkovinové povahy (nehistonové proteiny). Jak se stávají chromosomy kompaktnější (vznikají tzv. mitotické chromosomy), transkripce je zablokována, neboť R-polymerasa (viz kap. 2.5) a ostatní proteiny nutné pro transkripci se nemohou vázat na D. Proto v mitotické fázi jsou již všechny chromosomy zreplikovány (viz kap. 2.4). Solenoid se dále stáčí až na chromatidu. Mitotický chromosom je složený ze dvou dceřinných chromatid. Molekula D je stočena do chromatid pouze během jaderného dělení (v mitose). 2 nm Úsek dvoušroubovice 10 nm Korálková forma chromatinu 30 nm 30 nm vlákno 300 Rozvinutý úsek chromosomu 700 Kondenzovaný úsek chromosomu 1400 Úplný mitotocký chromosom br. 27. Struktura mitotického chromosomu 2.3 Genetická informace o je nositelem genetické informace? Při buněčném dělení dochází k přenosu dědičné informace z mateřské buňky do dceřinné. ato informace je v každé buňce uložena v podobě genů (nositelů genetické informace), což jsou úseky řetězce molekuly D, ve kterých je zakódována kompletní informace o určitém polypeptidovém řetězci (bílkovině). Molekula D je pro každého 19

9 člověka univerzální (s výjimkou jednovaječných dvojčat). ajdeme ji v každé buňce lidského těla. D např. určuje jakou barvu očí či vlasů bude mít ten který člověk. Způsobuje to právě ten strukturní gen, jenž je zmíněným úsekem D zodpovídající za barvu očí, vlasů popř. za jiné vlastnosti. Kompletní soubor genetické informace uložené v D se nazývá genom. Informace kódovaná ve struktuře D je dána pořadím nukleotidů v řetězci (lineární sekvence nukleotidů v D je překládána pomocí genetického kódu do lineární sekvence aminokyselin viz kap. 2.5 a 2.6). 2.4 Replikace D K čemu dochází během procesu replikace D? Před každým dělením buňky se každý chromosom musí samostatně zreplikovat a jeho kopie musí být rozděleny do obou dceřinných buněk. Při tomto procesu dochází k přenosu dědičné informace z mateřské buňky do dceřinné. ba řetězce D obsahují navzájem komplementární sekvence nukleotidů, proto oba mohou sloužit jako templát (matrice, předloha) pro syntézu nového komplementárního řetězce. Replikace D je semikonzervativní, protože výsledkem replikace jsou dvě dceřinné dvoušroubovice, z nichž každá má jedno vlákno původní (mateřské) a jedno nově nasyntetizované. Jak začíná replikace? elý proces replikace začínají iniciační proteiny, které se vážou na D a rozvíjejí její dvoušroubovicovou strukturu přerušováním vodíkových vazeb. Místům, kde je struktura dvoušroubovice nejdříve narušena, se říká replikační počátky a jsou určeny speciální nukleotidovou sekvencí. Bakteriální genom, který je obvykle tvořen jednou kruhovou D o délce několika miliónů bází má jediný replikační počátek. Lidský genom, který má přibližně 3x10 9 nukleotidů má zhruba takovýchto počátků. (1) Jejich velký počet umožňuje lidské buňce zreplikovat veškerou D během relativně krátké doby. o jsou replikační vidličky? Pro začátky replikace jsou typické útvary ve tvaru písmena Y, které se nazývají replikační vidličky. V replikačních vidličkách jsou navázány proteiny replikačního aparátu (viz dále), které se pohybují ve směru replikace a rozvíjejí dvoušroubovicovou strukturu za současné syntézy nového řetězce. V jednom replikačním počátku se vytvoří dvě replikační vidličky, které se pohybují směrem od sebe, proto je tato replikace nazývána obousměrná. Jakou funkci má enzym D-polymerasa? ejdůležitějším replikačním enzymem je D-polymerasa (viz tab. 1), která syntetizuje nové vlákno D podle původního řetězce. ento enzym katalyzuje připojování nukleotidů na 3' konec rostoucího řetězce D za vzniku fosfodiesterové vazby mezi hydroxylovou skupinou na 3. uhlíku pentosy rostoucího řetězce a fosfátovou skupinou na 5. uhlíku pentosy přidávaného nukleotidu. D je syntetizována ve směru 3' (tzn., že narůstá na 3' konci). 20

10 br. 28. Replikace na vedoucím řetězci ab. 1. Funkce enzymu D-polymerasy I resp. III D-polymerasa I vyplňuje vzniklé mezery v řetězci D opravovač chyb v párování bází v D (3' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje D od 3' konce); viz korektorská schopnost D-polymerasy odbourává primery ( 3' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje D od 5 ' konce) D-polymerasa II funkce není zcela objasněna, předpokládá se, že je funkčně podobná D-polymerase I (23) D-polymerasa III syntetizuje D opravovač chyb v párování bází v D (3' exonukleasová aktivita, hydrolyzuje D od 3' konce); viz korektorská schopnost D-polymerasy ukleotidy vstupují do reakce jako energeticky bohaté deoxynukleosidtrifosfáty (dp, dp, dgp a dp) a dodávají energii polymerizační reakci. Energie uvolněná hydrolýzou jedné fosfodiesterové vazby v deoxynukleosidtrifosfátu je dostatečná pro kondenzační reakci, při které se váže deoxynukleotidový monomer (dmp, dmp, dgmp a dmp) do nově syntetizovaného řetězce za současného uvolnění difosfátu. D-polymerasa se neodděluje od D po každém přidání nukleotidu, ale zůstává navázána na D a během polymerace se podél ní pohybuje. 21

11 - P konec - R P 2 ově syntetizovaný řetězec P P P 2-2 3' 2 2 3' konec G 2 3' konec emplátový řetězec br. 29. a 30. Vznik fosfodiesterové vazby Proč jsou replikační vidličky asymetrické? G konec D-polymerasa je schopna syntetizovat nové vlákno pouze prodlužováním 3' konce D. V replikační vidličce nastává problém, protože původní dvoušroubovice se skládá ze dvou antiparalelních řetězců (je asymetrická). Jeden nový řetězec je v replikační vidličce syntetizován podle templátu ve směru 3'. (Vzniká 3' řetězec). Druhý nový řetězec je v replikační vidličce syntetizován podle templátu ve směru 3'. však neexistuje Dpolymerasa, která by dokázala prodlužovat konec D. udíž v tomto směru roste diskontinuálně tzn., že jsou ve směru 3' syntetizovány krátké úseky D (tzv. kazakiho fragmenty), které jsou následně spojovány v kontinuální řetězec. Řetězec, který je tvořen kontinuálně, se nazývá vedoucí řetězec. Řetězec, který je tvořen diskontinuálně, se nazývá opožďující se nebo též váznoucí řetězec. - P - konec R P 2 ově syntetizovaný řetězec P P P - 2 3' konec 3' konec G 2 emplátový řetězec konec 22

12 Vedoucí řetězec Váznoucí řetězec 3' 3' 3' 3' 3' 3' kazakiho fragmenty emlát pro syntézu nového řetězce D Směr pohybu replikační vidličky 3' 3' br. 31. symetričnost replikační vidličky o znamená korektorská schopnost D-polymerasy? D-polymerasa katalyzuje reakci: (D) n + dp (D) n difosfát (P neboli PP i ). D-polymerasa je schopna hydrolyzovat D od 3' konce (3' exonukleasová aktivita). Připojí-li se chybný nukleotid, vznikne nestabilní produkt (nukleotid se chybně páruje s nukleotidem v templátu), čímž dojde k posunutí rovnováhy ve směru výchozích látek. Proto D-polymerasa je velice přesně párující enzym, který udělá průměrně jednu chybu na 10 7 zreplikovaných párů bází. Proto taky D-polymerasa neumí začít syntetizovat nové vlákno (neboť přidává další nukleotid po kontrole správného párování předcházejících bází). Jaká je funkce enzymu primasy? nejnověji nasyntetizovaná D Protože D-polymerasa neumí začít syntetizovat nové vlákno, musí existovat jiný enzym, který by dokázal spojit dva volné nukleotidy a začal syntetizovat nové vlákno podle jednořetězcové D. ento enzym se nazývá primasa. Primasa ale nesyntetizuje D, ale krátké úseky R mající cca 10 nukleotidů. yto úseky se párují na základě komplementarity s templátovým řetězcem a poskytují 3' konec pro D-polymerasu. Slouží tedy jako primery pro syntézu D. Při syntéze vedoucího řetězce je třeba pouze jeden R-primer. Syntéza opožďujícího se řetězce je však diskontinuální a vyžaduje neustále tvorbu R-primerů. Jak vzniká souvislé vlákno D z kazakiho fragmentů? požďující řetězec je tvořen mnoha oddělenými úseky D tzv. kazakiho fragmenty. a vytvoření souvislého vlákna D z kazakiho fragmentů jsou třeba tyto enzymy: D-polymerasa I odstraňuje R-primery (exonukleasová funkce) a nahrazuje R-primery D a D-ligasa pospojuje všechny úseky dohromady. Primasa nemá schopnost provádět korekce, proto v primerech vzniká mnoho chyb. Primery jsou však určeny k degradaci a D-polymerasa I má obdobně jako replikační D-polymerasa III korektorskou schopnost, proto replikační aparát zajišťuje přesnost kopírování templátu. 23

13 br Replikace na váznoucím řetězci ejprve enzym primasa nasyntetizuje krátký úsek R (tzv. R-primer, na obrázku znázorněno fialově). Poté enzym D-polymerasa III nahradí primasu a začne syntetizovat nové vlákno D napojením na nasyntetizovaný R-primer. Vzniká tzv. kazakiho fragment (viz 1. část). V momentě, kdy již není volné místo pro pokračování syntézy D, nasedá enzym D-polymerasa I, která odstraňuje R-primery (viz 2. část) a nahrazuje je vláknem D (viz 3. část). akonec enzym D-ligasa spojí všechny úseky D (resp. kazakiho fragmenty) dohromady (viz 4. část). Jaká je funkce replikačního aparátu? Replikace D vyžaduje spolupráci několika druhů enzymů. Replikační aparát umožňuje vznik a posun replikační vidličky a syntézu nové D. lavní složky replikačního aparátu: D-polymerasa (viz výše); primasa (viz výše); helikasa využívá energii z hydrolýzy P k pohybu podél D a současnému rozvíjení dvoušroubovicové struktury; SSB-proteiny (single-strand binding poteins) ochraňují jednořetězcovou D uvolněnou helikasou před znovuspárováním; svírací protein (sliding camp) pevně váže D-polymerasu na templát. Má tvar prstence, který obemyká D a pohybuje se podél ní i s navázanou D-polymerasou ve směru replikace. 24

14 3' Vedoucí řetězec Svírací protein D-polymerasa ově syntetizovaný řetězec Primasa Rodičovská D 3' ový kazakiho fragment R-primer D-helikasa 3' kazakiho fragment Váznoucí řetězec Vazebný protein pro udržení jednořetězcové struktury D br. 36. Replikační aparát akto popsaný průběh procesu replikace probíhá u prokaryotních organismů. U eukaryotních organismů probíhá obdobným způsobem. U eukaryotních organismů existuje 5 druhů D-polymeras: α, β, γ, δ a ε. 2.5 ranskripce K čemu dochází během procesu transkripce? Jestliže buňka potřebuje nějaký konkrétní protein, je nukleotidová sekvence v patřičné oblasti dlouhé molekuly D v chromosomu nejprve zkopírována do mr (mediatorová, informační R). ato R je přímo využívána jako templát (předloha, matrice) pro tvorbu proteinů. Genetická informace je tedy předávána z D do R procesem zvaným transkripce a následně z R do proteinu procesem zvaným translace. Prvním krokem pro uplatnění genetické informace v buňce je přepsání části nukleotidové sekvence D genu do nukleotidové sekvence R. ento proces se nazývá transkripce a je v mnoha krocích podobný replikaci D. Přepis celého genu označujeme jako expresi (vyjádření) genu. Veškerá R v buňce vzniká transkripcí. Jak začíná transkripce? ranskripce začíná rozvolňováním krátkého úseku dvoušroubovice D, jeden z řetězců pak slouží jako templát pro syntézu R. Ribonukleotidová sekvence R je určena komplementárním párováním bází. Jestliže se volný ribonukleotid páruje s deoxyribonukleotidem v templátové D, je tento ribonukleotid kovalentně připojen fosfodiesterovou vazbou k rostoucímu řetězci R v enzymově katalyzované reakci. U eukaryotních organismů nejprve musí dojít ke vzniku poměrně složitého transkripčního iniciačního komplexu za přítomnosti několika transkripčních faktorů (= regulační proteiny). 25

15 o vzniká během transkripce a proč je R jednovláknová? Řetězec R vznikající transkripcí se nazývá transkript. ranskript je prodlužován a má stejnou sekvenci jako vlákno D, které je komplementární k templátovému řetězci D. R nezůstává spojena s templátovou D vodíkovými vazbami. Místo toho dochází za místem, kde byl přidán ribonukleotid, k obnovení dvoušroubovicové struktury D a vytěsnění vlákna R. Proto jsou molekuly R jednovláknové. Vzhledem k tomu, že dochází k přepisu pouze malé části D, jsou molekuly R mnohem kratší (cca několik 1000 ribonukleotidů). Jaká je funkce enzymu R-polymerasy? Enzymy, které přepisují D do R, se nazývají R-polymerasy. Katalyzují vznik fosfodiesterové vazby, která spojuje jednotlivé ribonukleotidy a vytváří tak cukrfosfátovou kostru R. R-polymerasa se pohybuje krok po kroku po D, rozvíjí její dvoušroubovicovou strukturu a uvolňuje tak vlákno pro komplementární párování s volnými ribonukleotidy. R je syntetizována ve směru 3'. Pro její syntézu je využívána energie vznikající hydrolýzou ribonukleosidtrifosfátu (P, UP, GP a P) viz kap U prokaryotních organismů existuje pouze jeden typ R-polymerasy, u eukaryotních organismů exitují tři typy R-polymeras: I, II a III. Ribonukleosidtrifosfáty emplát pro syntézu R Rozvíjecí místo br. 37. ranskripce a R-polymerasa Proč transkripce není tak přesná jako replikace? R-polymerasa postrádá korektorskou schopnost, tzn., že před přidáním dalšího ribonukleotidu do řetězce R nekontroluje, zda se předcházející ribonukleotid správně páruje, a proto může R-polymerasa začít syntetizovat nový R řetězec bez potřeby primeru. ranskripce (1 chyba na 10 4 nukleotidů) není a ani nemusí být tak přesná jako replikace (1 chyba na 10 7 nukleotidů), protože R není určena k trvalému uchovávání genetické informace v buňkách. o jsou posttranskripční úpravy? U eukaryotních organismů je D uzavřena v jádře, ale ribosomy se nacházejí v cytoplasmě. mr musí být transportována z jádra do cytoplasmy malými jadernými póry. Před opuštěním z jádra však mr podléhá posttranskripčním úpravám. ranskripcí vzniká nejprve primární transkript (pre-mr) neboli heterogenní jaderná R (hnr), která se dále upravuje. Upravená mr je transportována do cytoplasmy a tam překládána na proteiny (translace). 26

16 U prokaryotních organismů se vzniklá mr posttranskripčně neupravuje, slouží ihned jako matrice pro tvorbu proteinu. o jsou exony a introny? Eukaryotní D obsahuje kromě kódujících sekvencí (tzv. exony) i nekódující sekvence (tzv. introny). elá D včetně intronů je transkribována do mr (přesněji do Pre-mR). Introny jsou odstraňovány enzymy a exony jsou spojeny dohromady. ento krok se nazývá sestřih (anglicky splicing). 2.6 ranslace Jakmile vznikne funkční mr, informace v ní obsažená může být ihned použita pro syntézu proteinu. Genetická informace je předávána z mr do proteinu procesem zvaným translace. Jak je zpráva o pořadí aminokyselin v peptidovém řetězci zakódována v řetězci D? Pořadí aminokyselin je v peptidovém řetězci kódováno pomocí tripletů (kodonů) nukleotidů. Dohromady lze vytvořit 64 (4 3 ) kombinací trojic nukleotidů. Z toho plyne, že některé aminokyselině přísluší i několik tripletů, ale naopak jednomu tripletu přísluší nanejvýš jedna aminokyselina. riplety U, UG, UG nekódují žádnou aminokyselinu, jedná se o tzv. terminační kodony (stop kodony), které signalizují konec kódující sekvence. Kodon UG slouží jako tzv. iniciační kodon (signalizuje začátek translace) a také jako kodon, ke kterému je přiřazen methionin. Pravidla, kterými se řídí prostřednictvím mr přenos z nukleotidové sekvence D do aminokyselinové sekvence, jsou definovaná jako genetický kód. V genetickém kódu platí konvence, že konec nukleotidové sekvence mr je vždy zapisován vlevo! Genetický kód je univerzální pro všechny dnes žijící organismy. V principu může být mr překládána ve všech třech čtecích rámcích podle toho, u kterého nukleotidu translace začne, avšak jen v jednom čtecím rámci vzniká požadovaný protein. První nukleotid ab. 2. Genetický kód U G Druhý nukleotid U G UUU fenyalanin UU serin UU tyrosin UGU cystein U UU fenyalanin U serin U tyrosin UG cystein UU leucin U serin U stop kodon UG stop kodon UUG leucin UG serin UG stop kodon UGG tryptofan G UU leucin U prolin U histidin GU arginin U U leucin prolin histidin G arginin U leucin prolin glutamin G arginin UG leucin G prolin G glutamin GG arginin G UU isoleucin U threonin U asparagin GU serin U U isoleucin threonin asparagin G serin U isoleucin threonin lysin G arginin UG methionin G threonin G lysin GG arginin G GUU valin GU alanin GU kyselina asparagová GGU glycin U GU valin G alanin G kyselina asparagová GG glycin GU valin G alanin G kyselina glutamová GG glycin GUG valin GG alanin GG kyselina glutamová GGG glycin G řetí nukleotid 27

17 Jaká je struktura tr a jaká je její funkce během translace? Kodony v mr nerozpoznávají přímo aminokyseliny, které specifikují. ranslace mr do proteinu závisí na tr (transferová R), která je schopna jednou částí molekuly rozpoznat a spárovat se s kodonem v mr a jinou částí vázat aminokyselinu. Všechny molekuly tr jsou přibližně 80 nukleotidů dlouhé. Jejich struktura připomíná jetelový lístek, který podléhá ještě dalšímu sbalení a vytváří konečnou strukturu ve tvaru písmene L. Jedna z částí tr se nazývá antikodon, což jsou tři nukleotidy komplementární ke kodonu v mr. Další důležitou oblastí je 3' konec, na který je esterovou vazbou navázána příslušná aminokyselina. Esterová vazba vzniká mazi karboxylovou skupinou aminokyseliny a hydroxylovou skupinou na 2. či 3. uhlíku pentosy na 3' konci tr. Pro některé aminokyseliny existuje i více tr, na které se mohou vázat. ěkterým tr umožňuje jejich struktura vázat se na více kodonů. Skutečná struktura ve tvaru písmene L br. 38. tr Jaká je funkce enzymu aminoacyl-tr-synthetasy? Rozpoznání a připojení správné aminokyseliny je funkcí enzymů nazývaných aminoacyl-tr-synthetasy. Každá buňka má 20 různých synthetas, pro každou aminokyselinu jednu. Specifické nukleotidy v obou ramenech, antikodonovém i vázajícím aminokyselinu, umožňují rozpoznání každé tr vlastní aminoacyl-tr-synthetasou. Reakce katalyzovaná aminoacyl-tr-synthetasou vyžaduje dodání energie hydrolýzou P. Při této reakci vzniká vysokoenergetická vazba mezi tr a aminokyselinou. ato energie je později využita pro tvorbu kovalentní vazby mezi rostoucím polypeptidovým řetězcem a nově navázanou aminokyselinou. 28

18 minokyselina (ryptofan) 2 tr 2 Makroergická vazba 2 P MP + 2P i minoacyl-tr-synthetasa Vazba aminokyseliny k tr Jak probíhá iniciace translace? br. 39. minoacyl-tr-synthetasa Vazba kodonu k antikodonu U G G Párování bází 3' mr ranslace probíhá na ribosomu (viz. kap. 1). Proces začíná na iniciačním kodonu UG a pro iniciaci je třeba iniciační tr, která má na sobě vázaný methionin (u prokaryotních organismů formyl-methionin). U eukaryotních organismů je iniciační tr s navázaným methioninem připojená k malé ribosomální jednotce za asistence několika proteinů tzv. iniciačních faktorů. Po navázání iniciační tr se malá podjednotka váže na konec mrm a začne se pohybovat podél mr ve směru 3' a hledat první kodon UG, který je rozpoznán antikodonem iniciační tr. Jakmile ho nalezne, odpoutá se od malé ribosomální podjednotky několik iniciačních faktorů, což umožní připojení velké ribosomální podjednotky. Protože se iniciační tr váže rovnou do P-místa na ribosomu, může prodlužování řetězce (elongace) ihned začít navázáním druhé tr s aminokyselinou do -místa na ribosomu. E-místo P-místo -místo E P Velká ribosomální jednotka Vazebné místo pro mr Jak probíhá elongace translace? br. 40. Struktura ribosomu Malá ribosomální jednotka Ribosom se pohybuje podél mr, překládá nukleotidovou sekvenci do aminokyselinové za použití tr a po dosyntetizování proteinu se obě podjednotky ribosomu opět oddělí. Ribosom obsahuje čtyři vazebná místa pro molekuly R: jedno pro mr a tři pro tr (E-místo, -místo, P-místo). Při proteosyntéze je neustále opakován tříkrokový cyklus: v prvním kroku je aminoacyl-tr navázána do -místa; ve druhém kroku vzniká nová peptidová vazba mezi přicházející aminokyselinou a prodlužujícím se peptidovým řetězcem; 29

19 ve třetím kroku se ribosom posune o 3 nukleotidy podél mr, čímž se uvolní tr bez navázané aminokyseliny z E-místa a tr z -místa se přenese do P-místa; do volného -místa se může okamžitě vázat další tr s připojenou aminokyselinou. mr je překládána ve směru 3' a nejprve vzniká -konec proteinu, z čehož vyplývá, že polypeptidový řetězec roste směrem od -konce k -konci. elý cyklus všech tří kroků je opakován při každém předávání nové aminokyseliny do polypeptidového řetězce, dokud ribosom nenarazí na stop-kodon. Jak probíhá terminace translace? Konec proteinu je signalizován přítomností jednoho ze tří terminačních neboli stop kodonů (U, UG, UG). ěmto kodonům není přiřazená žádná aminokyselina. Místo tr se na stop kodon v -místě vážou tzv. terminační (uvolňovací) faktory. Místo aminokyseliny se váže molekula vody, čímž se uvolní karboxylový konec hotového polypeptidového řetězce z tr v P-místě. Protein se uvolňuje do cytoplasmy. Po skončení proteosyntézy je mr odpojena od ribosomu a dojde k disociaci obou podjednotek ribosomu, které se mohou navázat na jinou molekulu mr a začít novou translaci. iniciace elongace terminace Met Malá ribosomální podjednotka s navázanými iniciačními faktory UG 3' Vazba na mr mr Rostoucí peptidový řetězec 2 E P 3' 2 E P U 3' Met UG 3' mr 2 E P 3' 2 E P Uvolňovací faktor U 3' E P Met Velká ribosomální podjednotka UG 3' 2 E PE P Posun o tři nukleotidy 3' 2 2 E P U 3' Met E P UG 3' minoacyl-tr 2 E P E P 3' 2 E P U U 3' Vznik peptidové vazby Met E P UG 3' tr 2 E P 3' br. 41. Iniciace, elongace a terminace translace E P U 3' 30

20 5 Seznam použité literatury 1. lberts, B. a kol.: Základy buněčné biologie. Ústí nad Labem: Espero Publishing, lters, S.: Biology Understanding Life. Mosby-Year Book, Inc.: St. Luis, rmstrong, F. B.: Biochemistry (hird edition). United States of merica: xford University Press, Baldwin, E.: o je biochemie. Praha: rbis, Banýr, J., Beneš, P., ally, J., alada, K., ovotný, P., Pospíšil, J.: hemie pro střední školy. Praha: SP, Benešová, M., Satrapová,.: dmaturuj z chemie. Brno: Didaktis, Bloomfield, M. M.: hemistry and the Living rganism. anada: John Wiley & Sons, Inc., Burnie, D.: Stručná encyklopedie lidského těla (the onsise Encyklopedia of the uman Body). alentum, ibis,., Dobler,. J., Lauer, V., Meyer, R., Schmale, E., Strecker,.: Člověk. Praha: Scientia, Dostál, P., Řeháček, Z., Ducháč, V.: Kapitoly z obecné biologie. Praha: SP, Engel-rieli, S. L.: Jak pracuje lidské tělo. Brno: UIS, Grff Van De, K. M., Fax, S. I.: oncepts of human anatomy & physiology (fifth edition). he McGraw-ill ompanies, ančová,., Vlková, M.: Biologie I v kostce. avlíčkův Brod: Fragment, olum, J. R.: Elements of General and Biological hemistry. John Wiley & Sons, Inc., Karlson, P.: Základy biochemie. Praha: cademia, Karlson, P., Gerok, W., Gross, W.: Pathobiochemie. Praha: cademia, Kolář, K., Kodíček, M., Pospíšil, J.: hemie II (organická a biochemie) pro gymnázia. Praha: SP, Kotlík, B., Růžičková, K.: hemie II. V kostce. avlíčkův Brod: Fragment, Kubišta, V.: Buněčné základy životních dějů. Praha: Scientia, Leblová, S., Sofrová, D.: Biochemie fotosynthesy. Praha: skriptum PřF UK, Löwe, B.: Biochemie. Bamberg:.. Buchners Verlag, Mareček,., onza, J.: hemie pro čtyřletá gymnázia 3. lomouc: McKee,., McKee, J. R.: Biochemistry: n Introduction (Second Edition). United States of merica: he McGraw-ill ompanies, ečas,. a kol.: becná biologie pro lékařské fakulty. Jinočany: akladateství &, Pacák, J.: Jak porozumět organické chemii. Praha: Karolinum, Pavlová, L.: Fyziologie rostlin. Praha: skriptum PřF UK, Pokorný, P., lásná, D.: hemie 3 Biochemie pro 2. ročník středních průmyslových škol chemických, potravinářských a střední školy pro pracující. Praha: SL, Sofrová, D., ichá, M. a kol.: Biochemie základní kurz. Praha: skripta UK, Stockleyová,., xlade,., Wertheimová, J. Velká ilustrovaná encyklopedie. avlíčkův Brod: Fragment, Vacík, J., Barthová, J., Pacák, J.: Přehled středoškolské chemie. Praha: SP, Vodrážka, Z.: Biochemie pro studenty středních škol a všechny, které láká tajemství živé přírody. Scientia, Voet, D., Voet, J. G.: Biochemie. Praha: Victoria Publishing,

21 33. Voet, D., Voet, J. G., Pratt, h. W.: Fundamentals of biochemistry (2. vydání). John Wiley & Sons, Inc., Domácí lékař od do Z (Rádce pro zdraví). Překlad: Ulrich,. Praha: IMP s.r.o. 35. Lidské tělo (he uman Body). Překlad: ořejší, J. Prahl, R. Bratislava: GEMII, Ilustrace Markéta Roštejnská: obr. 1-4, 6, 7, 9,