IV107 Bioinformatika I
Přednáška 2
Katedra informačních technologií Masarykova Univerzita Brno
Jaro 2012
Před týdnem
Bioinformatika
► zpracování hromadních molekulárně-biologických dat
► posledních cca. 30 let
► data: genomika a proteomika
► sekvence
► struktury
► interakce a jiné funkce
► expresní data
► anotace cca 1000 prokaryotických genomů (http://www.cbs.dtu.dk/services/GenomeAtlas/)
► Galerie sekvenovaných genomů (http://www.genomenewsnetwork.org/)
http://www.dnaftb.org/dnaftb/
► Klasická genetika
► Genetické molekuly
► Organizace a řízení genetických procesů
► Princip rakoviny
http://www.dnalc.org/home.html
Hierarchie biologických struktur
0.1 nm   Ira     10 nm ](W
4 □ ►   <S ►   4 š ►   < -Š ►   -šl= -O^O
Outline
Struktura DNA
Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Kořeny genetiky
Gregor J. Mendel V pokusech s rostlinami si všiml, že potomství dvou rodičů nezávisí na jejich vzhledu /fenotyp/, nýbrž na jakýchsi symbolicky popsaných faktorech, které do značné míry odpovídají dnešnímu označení gen /genotyp/
:  450 kStcvatíčani;
Molekula DNA
► Objevena 1869 , považována za příliš jednoduchou
► Polymerická molekula, monomerem je:
► deoxyribonukleotid /DNA/
► ribonukleotid/RNA/
► Symbolické značení A,C,G,T,U
► Spirálovitá prostorová struktura
Nukleotidy
4  □  ►   4 (5? ►   4  š ►   4  š  ►    -šl= "O^O
Zastoupení nukleotidů v různých organismech
Organizmus	%A	%G	%C	%T	A+G T+C	A+T G+C
E.coli	24.7	26.0	25.7	23.6	1.03	0.93
S.lutea	13.4	37.1	37.1	12.4	1.04	0.35
S.cerevisae	31.3	18.7	17.1	32.9	1.09	1.79
H.sapiens	30.9	19.9	19.8	29.4	1.00	1.52
Dedukce: Nukleotidy se vyskytují v párech
From A.LLehninger (1970), Biochemistry, Worth Publishers, New York
Difrakce na molekule DNA
Difrakce krystalické DNA z roku 1952 od Rosalind Franklin Svědčí o periodicitě 0.3nm a 3.4nm
Struktura DNA
Tento obrázek a jedna stránka textu pomohli autorům k Nobelově ceně. Přínos Rosalind Franklin ve formě pečlivého zkoumání krystalů v té chvíli oceněn nebyl.
Poštovní známka k 50. výročí objevení struktury DNA
Struktura DNA
A □ ►   4 (5? ►   4 š ►   * ■= ►   -šl= -O^O
Struktura DNA
C hro mo same
Uspořádání DNA v jádře
Uspořádání	Počet nukleotidů	Relativní délka k jádru
Lineární	10000	600000
Plošné	25 mil	240
Prostorové	62.5 mld	0.1
Prostorové uspořádání DNA se 12000000 nukleotidy v jádře o rozměrech 0.0034 mm (rozměry jednoho páru nukleotidů dle modelu Watsona a Cricka jsou 1.36 x 0.34nm).
Outline
Struktura DNA Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Základní pravidla
DNA -> RNA -> protein
► retroviry: RNA -> DNA ► jeden gen —>■ jeden protein
► RNA geny kódují RNA
► alternativní sestřih umožňuje tvorbu několika proteinů
► post-translační modifikace umožňují vznik různých forem jednoho typu proteinu
Exprese genů
(
DNA replication
)
DNA
5.................
RNA synthesis (transcription)
3'
RNA
■ 3'
p rote í n synthesis (translation)
PROTEIN
Outline
Struktura DNA Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Replikace DNA
Hlavní enzymy helikáza, DNA polymeráza
Templát DNA
Substrát deoxyribonukleotidy
Produkt DNA
Replikace DNA
template strand A
H S i;i N ffl W a io m
stra nd A
strand B
m
parent DNA double helix
new strand B new strand A
¥Í 0  0 0  0  0! 0 0 0  0" 05' template strand B
Outline
Struktura DNA Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Transkripce
Hlavní enzymy RNA polymeráza
Templát DNA
Substrát deoxyribonukleotidy
Produkt DNA
Transkripce přenáší část genetické informace z DNA na mobilní mRNA
Outline
Struktura DNA Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Translace
Hlavní enzymy Templát Substrát Produkt
ribozom RNA
aminokyseliny
protein (bílkovina, peptid)
Translace probíhá na ribozomech
Triplety nukleotidů kódují jednotlivé aminokyseliny
A □ ►   A (5? ►   < š ►   < ■= ►   -šl= -O^O
Kód sprostredkováva tRNA
Kontrolní otázky
1. DNA určitého organizmu obsahuje 17% tymínu (T). Jaký je obsah cytozínu (C)?
2. Jaká je komplementární sekvence k sekvenci S'-ACGT-S'? Co je na těchto sekvencích zajímavé? Jaké vlastnosti by mohl mít protein, který se váže na DNA s takovou sekvencí?
Outline
Struktura DNA Z historie
DNA je nosičem genetické informace DNA má strukturu antiparalelní spirály
Centrální dogma a genová exprese
Replikace DNA
Transkripce
Translace
Genetický kód
Struktura proteinů
Primární struktura (Sekvence) Sekundární struktura Terciární struktura (domény) Kvartérní struktura (komplexy) Funkce proteinů
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Struktura proteinů
Primární sekvence aminokyselin
Sekundární hlavně a-helix a /3-struktura
Terciární 3-D uspořádání
Domény jedna nebo víc na protein
Kvartérní komplexy skládající se z více podjednotek
"■Vně*
4  □  ►   4 (5? ►   4  š ►   4  š  ►    -šl= -O^O
Skládání proteinů a druhý kód
Mnoho čerstvě syntetizovaných proteinů se poskládá do své finální podoby bez pomoci dalších faktorů.
► demonstrováno na konkrétním proteinu (Anfinsen, 1966, ribonukleáza A)
► terciární struktura je zakódována v primární struktuře (kód dodnes neobjeven!)
Protein folding
amino acid side chains
unfolded protein
J FOLDING binding site
<□► < a? ► < i ► -äl= -O^O
Fyzikálně-chemické vlastnosti aminokyselin
Amino Acids A alanine (ala) R argiNme (arg) N asparagine(asn) D aapartic acid (asp) C cysteine (cys) Q glutamine (gin) E glutamic acid njl.i! G glycine (gly) Hhrstldine <:iisi
! isoleufjine . ■ L leucine ■ K lysine (l/s) M metioneine {rnetf F phenyslanine (phe) P proline (pro) S serine (ser) T threonine (thr) Wtrytophan (irp) Y tyrosine (tyr)
4 □ ►   4 (5 ►   4 š ►   < ■= ►   -šl= -O^O
Aminokyseliny můžou být vůči sobě různě orientovány
I li
i
Torzní úhly: faip,^
cis      (u = 0°) trans    (lj = 180o)
Ramachandranuv diagram
helix
nitrogen
/3-skladany list
Otočky nebo smyčky (angl. turns)
4 □ ►   4 (5? ►   4 š ►   < ■= ►   -šl= -O^O
isulfidicky (cysteinovy) mostik
polypeptide
disulfide bridge
Kvarterní struktura hemoglobinu
4 □ ► 4 (5? ► 4 š ► < ■= ►   -šl= -O^O
Dílčí funkce proteinů
► Enzymy
► katalyzátory znižují energetický práh reakcí
► substrát se proměňuje v produkt
► aktivní místo
► Interakce protein-protein
► Interakce protein-DNA
► Interakce protein-ligand
► Transdukce signálu, regulace
► Strukturní proteiny (vlákna, glykoproteiny)
► Transportní
► Póry a kanály
► Pumpy
► Motory
Motory
iimv .illow (or lůroc (>8 nm) stc(»
ATPáza
4 □ ►   4 fi? ►   4 š ►   < ■= ►   -šl= -O^O
Kanál umožňuje iónům proniknout membránou
Receptor cyklického AMP (dimer a DNA)
4 □ ►   4 (5? ►   4 š ►   < ■= ►   -šl= -O^O
Prion ve formě PrPc a PrPsc
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
Outline
For Further Reading
Projekt SIMAP
http://www.czechnationaltearri.cz/view.prip7nazevclanku simap&cisloclanku=2007020002
http://www.rozhlas.cz/leonardo/priroda/_zprava/321214