Chemie nukleotidů a nukleových kyselin Centrální dogma molekulární biologie (existují vyjímky)
NH 2 N N báze O N N -O P O - O H 2 C H H O H H cukr OH OH nukleosid nukleotid Nukleosidy vznikají buď syntézou de novo v játrech nebo jako produkt odbourání NK. Působením specifických kinas mohou být fosforylovány za vzniku nukleotidů.
Báze
Role (deoxy)nukleotidů 1. NTP (dntp) prekurzory pro syntézu NK (RNA resp. DNA), do nichž se inkorporují ve formě NMP (resp. dnmp); tyto formy tedy tvoří monomerní jednotky nukleových kyselin. Při polymeraci se difosfátový zbytek odštěpuje. 2. NTP (především ATP a GTP) slouží v metabolismu jako reservoár energie - využití v mnoha typech procesů; typické - syntetické reakce katalyzované enzymy ze třídy ligas. 3. Fungují jako fosforylační činidla - katalýza kinasami (fosfotransferasy). Součástí metabolických pochodů (např. fosforylace glukosy hexokinasou, úvodní aktivační reakce glykolysy); fosforylace proteinů proteinkinasami regulace (signální dráhy). 4. Váží se na některé meziprodukty biosyntéz a slouží jako aktivátory těchto látek před jejich vstupem do metabolických procesů. Např. uridin-5 -difosfoglukosa (UDP-glukosa), která je prekurzorem pro syntézu zásobního živočišného polysacharidu glykogenu.
5. Nukleotidy jsou součástí struktury řady kofaktorů. Npř. koenzymy NAD + a NADP +, prostetické skupiny FAD a FMN, koenzym A (přenos acylových zbytků) a řada dalších. ATP je z tohoto hlediska často zmiňován jako kofaktor (koenzym spíše kosubstrát) ligas a kinas, ale i enzymů dalších tříd. ATP přenašeč energie 6. Regulační úloha v signálních drahách - cyklické formy nukleotidů. Cyklický adenosin- 3,5 -monofosfát (camp), vzniká z ATP působením membránového enzymu adenylátcyklasy; úloha druhého posla v řadě signálních drah (viz medvěd). Působí jako regulátor aktivity proteinkinas, které fosforylují další enzymy, a tím je aktivují nebo deaktivují.
Některá antivirotika - uměle syntetizované deriváty nukleosidů; blokují syntézu virové DNA nebo RNA (nejen virové => vedlejší účinky); 3 -azido-2,3 -dideoxythymidin např. tzv. AZT
Primární struktura nukleových kyselin je dána pořadím (deoxy)nukleosid-5 monofosfátů, které jsou prostřednictvím 3,5 -fosfodiesterových vazeb spojeny se sousedními (deoxy)nukleotidy Primární struktura reprezentovaná sekvencí TACG
Watsonova-Crickova šroubovice DNA Základem prostorového uspořádání DNA je dvoušroubovicová periodická struktura, tvořená dvěma vzájemně svinutými polydeoxynukleotidovými řetězci
Chargaffova pravidla: Vodíkové můstky mezi bázemi
Polydeoxynukleotidové řetězce - v dvoušroubovici navzájem uspořádány antiparalelně (tzv. hlava k patě); na jednom konci dvoušroubovice je 5 -konec jednoho vlákna a 3 -konec vlákna druhého. Jedno vlákno má tedy směr 5 3 a druhé má směr 3 5
Denaturace DNA - zrušení hydrofóbních interakcí - přechod na jednovláknovou strukturu Vlevo: Zvýšení absorbance roztoku DNA po rozpadu dvoušroubovicové struktury (hyperchromní efekt). Vpravo: Teplotní denaturační křivka DNA.
Shrnutí (sekundární struktura DNA)
Nadmolekulová struktura buněčné DNA Prokaryotní DNA DNA bakterie E. coli o molekulové hmotnosti 2,9 x 10 9 Da by v nataženém stavu měřila 1400 μm, zatímco rozměr buňky této bakterie je asi 2 μm => nutno poskládat. V prokaryotech tvoří chromosomální DNA jedinou kruhovou (cirkulární) molekulu. Pravotočivá dvoušroubovice cirkulární DNA je kondenzována tak, že je svinuta do levotočivé nadšroubovice, jedno svinutí připadá v typické prokaryotní buňce na zhruba 200 párů basí. Cirkulární DNA: vlevo bez nadšroubovicového pnutí, vpravo levotočivá nadšroubovice
karyotní DNA - navinutá na histonech Např. DNA, obsažená v každé lidské buňce, obsahuje asi 3 miliardy deoxyribonukleotidů. DNA ze všech 46 lidských chromosomů za sebou cca 1 m!!! (výpočet, vycházející z udávaných parametrů dihelixu DNA) - a to lidská DNA není nejdelší!
Uspořádání eukaryotní DNA
Eukaryotní buňka Jádro Geny jsou převážně umístěny na chromozomech soustředěných v jádře. Chromozómy Jádra všech buněk jednoho organismu mají stejnou chromozomovou výbavu stejný počet stejný tvar stejné rozměry stejný obsah genů Haploidie Diploidie
DNA - chromosomy Chromosomy jsou většinou značně rozvolněné a nejsou viditelné (tzv. interfázové chromosomy) Na počátku dělení buňky dochází k jejich spiralizaci, zkracování a tím i zviditelnění (tzv. mitotické chromosomy).
Eukaryotní buňka Úseky DNA introny (nekódující) a exony (kódující) DNA je obsažena nejen v jádře Mimojaderná DNA: mitochondrie chloroplasty
Co způsobuje rakovinu? Pouze bodové mutace nebo aneuploidie? Peter Duesberg: Zdroj: https://mcb.berkeley.edu/faculty/bmb/duesbergp.html Karcinogeneze připisována mutacím specifických genů (onkogenů). x Onkogeny nestačí k tomu, aby transformovaly normální buňky v rakovinné. Nezdá se, že by všechny mutageny byly automaticky i karcinogeny.
Zdroj: P. Duesberg, Chromosomal chaos and cancer, Sci Am 296 (2007), pp. 52-59.
Velikost genomu v jednotlivých typech organismů
Rozdílné funkce jednotlivých RNA
Struktura trna
Ribosomální RNA Ukázka sekundární struktury rrna