IV107 Bioinformatika I
Přednáška 2
Katedra informačních technologií Masarykova Univerzita Brno
Podzim 2014
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/)
DNA websites
► http://www.dnaftb.org/
► http://www.dnalc.org/
► http://www.dnai.org/
Hierarchie biologických struktur
0.1 nm   Ira     10 nm ](W
Outline
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/
ČESKOSLOVENSKO!		
	RFFUBUK	ÍSIERREICH
	450 KXIEVAnCAN		Q
\			
i -OQ.O
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
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
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
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.................
3<
3'
RNA synthesis (transcription)
RNA
■ 3'
p rote í n synthesis (translation)
PROTEIN
COO H
Outline
Replikace DNA
Hlavní enzymy helikáza, DNA polymeráza
Templát DNA
Substrát deoxyribonukleotidy
Produkt DNA
1 -o^o
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
Transkripce
Hlavní enzymy RNA polymeráza
Templát DNA
Substrát deoxyribonukleotidy
Produkt RNA
Transkripce přenáší část genetické informace z DNA na mobilní mRNA
1 -O^O
Outline
Translace
Hlavní enzymy Templát Substrát Produkt
ribozom RNA
aminokyseliny
protein (bílkovina, peptid)
Translace probíhá na ribozomech
Triplety nukleotidů kódují jednotlivé aminokyseliny
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 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
1 -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
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 (lys) M metioneine {rnetf F phenyslanine (phe) P proline (pro) S serine (ser) T threonine (thr) Wtrytophan (irp) Y tyrosine (tyr)
Aminokyseliny můžou být vůči sobě různě orientovány
I
II!
o -
I
I II
I 1
Torzní úhly: 0,-0, w
cis       (w = 0°) trans    (^ = 180°)
Ramachandranuv diagram
Xj|8l|
/3-skladany list
Otočky nebo smyčky (angl. turns)
isulfidicky (cysteinovy) mostik
polypeptide
disulfide bridge
Kvarterní struktura hemoglobinu
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
1 -O^O
Kanál umožňuje iónům proniknout membránou
1 -O^O
Receptor cyklického AMP (dimer a DNA)
1 -o^o
Prion ve formě PrPc a PrPsc
Příště
Nástroje mol.biologie, genomiky a proteomiky
1 -O^O
Outline
For Further Reading
Projekt SIMAP
http://www.czechnationaltearri.cz/view.prip7nazevclanku simap&cisloclanku=2007020002
http://www.rozhlas.cz/leonardo/priroda/_zprava/321214