Bioinformatika zpracovani hromadnich biologických dat koreny v 50. a 60. letech ­ struktura DNA, proteinu, geneticky kod data = sekvence, struktury, exprese genu, metabolizmus,... analyzy = zarovnavani sekvenci, fylogeneticke stromy, identifikace dulezitych strukturnich a funkcnich motivu, predpovidani struktury,... DNA ­ RNA ­ PROTEIN ::: PROTEIN ­ STRUKTURA ­ FUNKCE rozsah dat u cloveka: 3 miliardy bazi DNA (x2) / bunku 30000 ruznych genu/proteinu 100 miliard bunek / jedince Bunky ˇ Zakladni forma organizace zive hmoty ˇ Molekuly/geny/proteiny ˇ Proteinove komplexy/membrány ˇ Organely a jine substruktury ˇ Bunka ˇ Tkan/pletivo ˇ Organismy Velikosti elementu Zaklady genetiky ˇ Mendel 19.stol. V pokusech s rostlinami si vsiml, ze potomstvi dvou rodicu nezavisi na jejich vzhledu /fenotyp/, nybrz na jakychsi symbolicky popsanych faktorech, ktere do znacne miry odpovidaji dnesnimu oznaceni gen /genotyp/ >chs1 atgacagaat acaggatgac tatgacgtga cggcttatat gatgacc... GENOTYP FENOTYP >chs1 MFVDDHLA VNQNFYLR SHRQL... GEN.KOD STRUKTURA FUNKCE Struktura DNA ˇ Objevena v 19.stol ˇ Považována za jednoduchou ˇ Polymericka molekula ˇ Monomerem je ˇ Ribonukleotid /RNA/ ˇ deoxyribonukleotid /DNA/ ˇ Symbolicke znaceni A,C,G,T,U ˇ Prostorova struktura: Watson, Crick, Franklin Struktura DNA Struktura DNA Obsah bazi v DNA ruznych organismu Organism %A %T %G %C A+G T+C A+T G+C E. coli bacterium 26.0 23.9 24.9 25.2 1.04 1.00 S. cerevisiae yeast 31.7 32.6 18.3 17.4 1.00 1.80 Z. mays corn 25.6 25.3 24.5 24.6 1.00 1.04 D. melanogaster fly 30.7 29.4 19.6 20.2 1.01 1.51 H. sapiens human 30.2 30.3 19.9 19.6 1.01 1.53 Struktura DNA Difrakce krystalicke DNA z roku 1952 od Rosalind Franklin Svedci o periodicite 0.3nm a 3.4nm Struktura DNA Struktura DNA Sekvence DNA Vazby mezi vlaknem jsou vodikove mustky, ktere jsou ve srovnani s kovalentnimi vazbami slabe. Pusobením teploty do 100oC muze dojit k denaturaci, t.j. rozpojeni vlaken. Vyuziva se to v PCR, ale vlastne taky v replikaci, transkripci. Sekvence DNA Zaklady genetiky Zaklady genetiky Organizace DNA 0.0034 mm jadro bunky ACGTGGATGC 0.34 nm LINEARNE 10000 bp 600 000 x PLOSNE 25 000 000 240 x PROSTOROVE 62 500 000 000 ~0.1 x 6 000 000 000 bp 1.36 nm Jeden gen ­ jeden protein ˇ Muže za to mechanismus exprese genu/syntezy proteinu ˇ DNA ­> RNA ­> PROTEIN ˇ Pravidlo ktere jak dnes vime nemuze byt chapano doslovne: ˇ Alternativni ,,splicing" ˇ Post­translacni modifikace ˇ Zadny protein ˇ Retroviry Centralni dogma ˇ DNA ­> RNA ­> PROTEIN Replikace DNA ˇ Hlavni enzym: DNA polymeraza ˇ Templat: DNA ˇ Substrat: deoxyribonukleotidy ˇ Produkt: DNA Replikace DNA Transkripce ˇ Hlavni enzym: RNA polymeraza ˇ Transkripcní komplex: cela skala proteinu vazanych na specificke sekvence DNA a sebe navzajem ˇ Templat: DNA ˇ Substrat: ribonukleotidy ˇ Produkt: RNA Struktura proteinu ˇ Polymericka molekula ˇ Monomerem je aminokyselina ˇ Symbolicke znaceni ACEFGHIKLMNPQRSTVWY ˇ Prostorova struktura se urcuje z difrakce rontgenovych paprsku nebo magnetickou rezonanci /NMR/ Geneticky kod ˇ Rozlustili Nirenberg, Matthaei, Khorana, Holley ˇ Zivot je digitalni ˇ 3 nukleotidy koduji jednu aminokyselinu v proteinovem retezci ˇ 4**3 = 64, ale jenom 20 aminokyselin Geneticky kod Translace ˇ Ribozom: cela skala RNA a proteinu vazanych na specificke sekvence RNA a sebe navzajem. t­RNA poskytuje molekularni pojitko mezi kodonem a odpovidajici aminokyselinou ˇ Templat: RNA ˇ Substrat: t­RNA s navazanou aminokyselinou ˇ Produkt: peptid nebo protein, volna t­RNA Transkripce Translace Kontrolni otazky DNA urciteho organizmu obsahuje 17% thyminu /T/. Jaky je obsah cytozinu /C/? Jaka je komplementarni sekvence k sekvenci 5'­ACGT­3'? Co je na techto sekvencich zajimave? Jake vlastnosti by mohl mit protein, ktery se vaze na DNA s takovou sekvenci? Souhrn Centralni dogma = .................................... DNA ­ ................ molekula nachazejici se v ......... bunek, nese geneticke informace v podobe sekvence ................... /bazi/ RNA ­ do formy ...RNA se transkripci prepisuje sekvence konkretnich genu, aby mohla opustit jadro, forma ...RNA napomaha rozpoznavani ............. v procesu translace PROTEIN ­ polymericka ............... , sekvence ........................ usporadanych v prostoru tak, ze molekula plni specifickou funkci v bunce /napr. enzym/ LIDSKY GENOM ­ ... miliardy bazi ve 22+X+Y .................., asi 30000 ruznych genu Slozite ORGANIZMY jsou ..........bunecne, kazda bunka plni specifickou funkci danou kombinaci .............. informace a ............, ve kterem se nachazi Vetsina PROCESU v bunkach je kontrolovanych ............., nekdy vhodne zabudovanych za pomoci membran do bunecnych organel a jinych struktur Souhrn Centralni dogma = DNA ­ RNA ­PROTEIN DNA ­ polymericka molekula nachazejici se v jadre bunek, nese geneticke informace v podobe sekvence nukleotidu /bazi/ RNA ­ do formy mRNA se transkripci prepisuje sekvence konkretnich genu, aby mohla opustit jadro, forma tRNA napomaha rozpoznavani kodonu v procesu translace PROTEIN ­ polymericka molekula , sekvenceaminokyselin usporadanych v prostoru tak, ze molekula plni specifickou funkci v bunce /napr. enzym/ LIDSKY GENOM ­ 3 miliardy bazi ve 22+X+Y chromozomech, asi 30000 ruznych genu Slozite ORGANIZMY jsou mnohobunecne, kazda bunka plni specifickou funkci danou kombinaci geneticke informace a prostredi, ve kterem se nachazi Vetsina PROCESU v bunkach je kontrolovanych proteiny, nekdy vhodne zabudovanych za pomoci membran do bunecnych organel a jinych struktur Struktura proteinu Primarni = sekvence Sekundarni = puvodne jenom a­helix a beta struktury, dnes i jine substruktury Terciarní = 3­D usporadáni Domeny ­ jedna nebo vic na protein Komplexy ­ skladajici se z vice podjednotek Virova castice R14 je prakticky sfericky krystal skladajici se z identickych podjednotek Dilci funkce proteinu Enzymy (katalyzatory, substrat se promenuje v produkt, aktivni misto) Interakce protein­protein Interakce protein­DNA Interakce protein­ligand Transdukce signalu, regulace Strukturni proteiny (vlakna, glykoproteiny) Motory Enzymy (substrat ­ produkt) Inhibitor HIV proteazy, která katalyzuje dulezity krok v synteze funkcniho viru zpusobujiciho AIDS Interakce protein ­ protein Interakce mezi protilatkou a antigenem. Takove interakce jsou zakladem humoralni imunity. Diky proteinove pameti muze organizmus likvidovat cizi latky. Interakce protein ­ DNA TBP (TATA box binding protein) ­ dulezita soucast transkripcniho komplexu, kontrolujici polohu, ve ktere transkripce probehne Interakce protein (OppA) ­ ligand (KXK) OppA je odpovedný za prijem peptidu z vnejsiho prostredi Strukturni proteiny Strukturni proteiny Kolagen ­ jeho tvorba vyzaduje vitamin C Tvori kolem 30% proteinu v lidskem tele. Je periodicky (GPP nebo GPK) actin ­ myosin Nemoci zpusobene nespravnym skladanim proteinu Cysticka fibroza CFTR transport Na+ a Cl­ Alzheimerova nemoc APP+LP E agregace BSE PrP agregace CFTR, respektive jeho deficit (zpusoben nespravnim skladanim a destrukci v ER) je pricinou cysticke fibrozy. Ovlivnuje predevsim plice, jatra a potni zlazy. PrPc a PrPSc