1X121 MOLEKULÁRNÍ ZÁKLADY DĚDIČNOSTI
Schéma proteosyntézy
[~A"1 aminokyseliny
Nutrition—Part 2: The Digestive System
Amino acid
Cell membrane
Messenger RNA being V formed on DNA v
The structure of the messenger RNA determines in what order the amino acids are joined together to form a particular protein, such as an enzyme
Transfer RNA
U G G ACC
I I I I ) I I I I I I M_l Messenger RNA
The organic bases A {adenine), C (cytosme), G (guanine) and U (uracil) act as a code. A a [ways attaches to U andCtoG. (See p. 287 for explanation.)
Fig. 85. Making proteins
23.  Princip transkripce a translace
ho a téhož typu bílkoviny v několika desítkách kopií. Komplexní útvar, tvořený molekulou m RNA navázanou na větší množství ribozómů, se nazývá polyzóm.
Otázky
1. Jaké je poradí aminokyselin v počáteční oblasti bílkovinného řetězce, která je v mRNA kódována ribonukleotidovým pořadím AUGGU-GCCCUUAGCCGAACGUUGGUGUACA . . .?
2. Jaké je pořadí aminokyselin v koncové části bílkovinného řetězce, kódované v mRNA ribonukleotidovým pořadím . . . UUUCUUUAUCA-UCCAAAACGCGGGAUCUAA?
72
Komponenty eukaryontního ribosomu
+ RNA
"* fi V*® a "
+ Có RNA
■ -
■
RNA
=49 proteinů + 3 molekuly RNA
i_-1
«5 » {5 «fi g.
© S » .o *:" +
RNA
"33 proteinů + 1 molekula RNA
I_._:_,_I
velké podjednotka
malá podjednotka
© Espero Publishing, s.r.o.
celý ribosom Mr =4 200 000
»82 proteinů
+ 4 molekuly RNA
inrciií ni hůntplcX
' |-úh1ji!iycin
' .iurii)1rik JrLiůi y!uvi
jpleiite prnlanfynlriy
\iitfai aminojtyt-IKNA
- 1»rmtnaini pro1(in RF ~ *-
P u romštin T * rjflf om f c j 11
INHIBICE SYNTÉZY PROTEINŮ ÚČINKEM ANTIBIOTIK
Syntéza peptidového řetězcB může být ovlivněno působením řady antibiotik. I když obecné zásady proteosyntézy popsané v předchozích odstavcích jbou obecné platné, prosto mohou existovat individuální rozdíly mezi jednotlivým i druhy buněk (zvláště prokaryontú), které jsou dany buď odchylným uloienim ribosomů, nebo bílkovinných faktorů, jež se na proteosyntézo podílejí. Tyto rozdíly se proto také projevují v rozdílném účinku různých antibiotik na reakce různých bunék. Kromě toho je třeba počítat b tím, že každý druh buněk má pro daný typ antibiotika různou permeabilítu, což se projeví i v různé citlivostí vůči jednotlivým z nich. Proto by bylo žádoucí, kdyby informace o ínlii-biíních účincích jednotlivých antibiotik mohla být ukázána na bunkách určitého typu. To vSak ve eehematiském podáni není možné, a proto pouze na tuto skutečnost upozorňujeme. Stejní tak pokládáme za důležité připomenout, í.u v některých případech mohou být rozdíly v účinku jednotlivých látok za, podmínek in vitro a in vivo,
Aktinamyciny (zvloäfií afctinomycin D) pů> aobi na úrovni transkripce tím, ic bb váíou FnUjfkuIiiei na DNA. Vlnsl.nl xynlAwi IjNA iwii proteinů jimi není ovlivněna.
Daunomycin ínhiboje syntézu RNA účinkem na BNA-nuiltolidi/llramferaSTi, a tím inhibuje proteůsyntózu jen nepřímo.
Iniciace proteosynléíy je inhibována pac ta-mycinem a aurintrik&rbaxylovou kyselinou. V obou případech nastává interference Be vznikem iniciačního komplexu.
Chloramfenikol se váie na 50S ribosomální podjednotku a inhibuje syntézu peptidové vazby inhibici peptidyttrtmsferastj,
Streptomycín (a ostatní aminoglykosidy) so váže no menSÍ ribosomální podjednotku (30S) a interferuje so správným „čtením" kodonů mRNA. Kromě toho interferuje e te-rminaci syntézy peptidového řetězce.
Tetracyklíny interferují 8 vazbou Ak-tRNA** v místě „A" vetší ribOHomální podjednotky.
Erytromycin   a   oleandomrcin interferují s translokacl ribosomů.
Cykloheximid so váže na 60S ribosomáljii podjednotku a interferuje podobnu jako předchozí a transíokocí ribosomů. Užívá bc pouze v experimentu.
Puromycin se diky své strukturní podobnosti s tRNA váže v místě „A" a jako nukleofilnl akoeptor váže pevni peptid převzatý z peptidyl-tRNA vázaný v místě „P". Užívá se téi pouze v experimentu.
TI 4
Polyribosom
© Espero Publishing,
♦      biosyntéza nukleo-
vých kyselin a proteinů je závislá na proteinech jako biokatalyzátorech (enzymech);
♦ biosyntéza proteinů a nukleových kyselin je závislá na nukleových kyselinách jako nositelích genetické informace.
DNA "i
transkripce r
1
zpitna transkripce
replikace
DNA
Životní cyklus retroviru
obal
RNA
/
I retrovirui
s jednořetězcovou RNA
kapsida
novů virové částice potomstva obsahující reverzní tranBkriptázu -jljl.
plasmatické membrána
hostitelská buňky
CYTOSOL
VSTUP do BUŇKY A ZTRÁTA OBALU
ZTRÁTA VIROVÉ KAPSIDY
RNA
reverzní transkriptáza
)
transkripce hostitelskou rna-polymerazou vytvárI mnoho kopii rna
SYNTÉZA DVOJSROUBOVICE DNA/RNA A POTOM DNA/DNA REVERZNÍ TRANSKRIPTAZOU
DNA
DNA
INTEGRACE KOPIE DNA DO HOSTITELSKÉHO CHROMOZOMU
část / hostitelského chromosomu
integrovaná virová DNA
© Espero Publishing, s.r.o.
rCD4
I production of
pralglycoprotein JL%*t H#* **' |5n cell surface J^t/ - "
Uninfected Tcell
infected T cell
-'1Uytn oazymových fad ve smyslu inhibice a aktivace - probíhají rovněž „logické operace , kterými je metabolická činnost buňky koordinována do-funkčné optimálního stavu. Zatímco ovšem nervové buňky jsou do sítě zapojeny pevně prostřednictvím svých výběžků, po kterých probíhají aktivující nebo inhibující impuisv pak enzymy ,sou spojeny jen nepřímo, méně pevně, prostřednictvím svých produktu které se pohybují od enzymu k enzymu tepelným pohybem a hledají svůj cíl (toto hledaní je často usnadněno vhodnou strukturou, ve které jsou vzájemně spolupracujíc: enzymy soustředěny). Konečný efekt je však podobný, a proto můžeme říci, ze enzymy bunky, zodpovědné za její metabolismus, jsou četnými regulačními obvody spojeny v komplikovanou „logickou Hr\ analogickou nervovému systému, a že tato „sít ,e to, co bunku funkčně integruje a odlišuje ji od pouhého váčku, naplněného enzymy a substráty. ť
2. REGULACE SYNTH ESY ENZYMŮ
aJS ZŤm> ZV£S -rada regulačních mechanismů upravuje metabolickou aktivitu bunky zásahem do činnosti enzymů. Regulace se však může uskutečnit i kontra ou synthesy enzymu. Múze se tak stát na dvou různých úrovních, zásahem do dvou různých procesu: Regulační proces může proběhnout na úrovni translace, tj. zá-ľroľní ,rľT^^ V ?hosom&1^ ^mu, nebo může proběhnout již na Zdivé tÍnPCC; th 2 S3hem d° SyntheSy ÍRNA ^dující příslušný enzym. lé^Z~mC fegUlaCÍ ^ ^adž      P—y jlľu
a) Represe a dereprese (indukce) -      ' V
5 ^TS rc^acersynthesy enzymů indukcí a represí je dnes znám především *
pofcusu s baktenemi, avšak nyní se zdá, že stejný nebo podobný reeulační svsrŕm n^ívsechnybunky. ÄJta*i^
rasem nejruznejsich problémů souvisejících s regulaoumi mechanismy, a jedľesTroto rirZTZ ľ " ^IadŮ m°derni bi0l°^ P°dobně Í<*° i- WarsoS£criSv ™=v^
Regulace synthesy enzymů konečným produktem (represe v užším slova smyslu)
jsou kaľaCvľnľ^°"ySeĽIiy * ^ p£tí s^ckých reakcí, které
tryptofanu, synthesuj! nejdříve enzymy, které pak v 5 stupních přeměňují kyselinu
445
chorismovou v tryptofan. Pfidáme-li však do prostředí nadbytek tryptofanu, syn-thesa zmíněných enzymů se zastaví a sekundárně pak i synthesa tryptofanu. Geny kódující strukturu těchto enzymů jsou na čhromosomu seřazeny těsně za sebou. Výchozí substrát A je zpracováván prvním enzymem řady v látku B, ta druhým enzymem řady v látku G, ta třetím enzymem řady v látku D a konečně ta čtvrtým a pátým enzymem v konečný produkt. Jestliže bylo nasynthesováno dostatek aminokyseliny, jsou všechny čtyři enzymy pro buňku nepotřebné a není pochopitelně ani-třeba další synthesovat.
Operon
geny strukturní
		T-:-				
		O	St	s2	s3	s,
směr transkripce 'RNA i
aktivátory. RNA-polymerasQ
Prl    -P'2    Pii PJl
v terminátor
2 241. Gcnovd regúlaSni jednotka. Sx—S5: geny strukturní, kódující funkční skupinu proteinů ťn—m. (jen regulátor R, kódující represor. P—promotor, zde se vážeRNA-polymerasa a případné ^nÄT^^L0 ~ ?P«át0íí zfe se váže represor. T - terminus, konec operonu, zde konci SfÄ^S)*111 bflkovmnai0 termxnátoru, který může byt blokován antiterminátorem (tento
Poněvadž geny řídicí synthesu těchto pěti enzymů leží na čhromosomu těsně za sebou, je tím dána možnost, aby činnost všech pěti genů byla současně vyřazena, aby transkripce DNA -> RNA byla v celé této oblasti zastavena. A skutečně všechny tyto geny tvoři funkční jednotku, která se od jednoho konce oblasti ke druhému transkribuje jako celek, vzniká jediná molekula informační RNA, která kóduje všech pět enzymových bílkovin. Kromě toho se však současně transkribuje ještě jeden úsek DNA ležící těsně před genem pro první z enzymů a v tomto úseku jsou dva geny, jejichž funkcí je regulovat transkripci uvedených 5 genů. Máme tedy funkční jednotku, část čhromosomu, na jejímž začátku jsou dva geny regulační, následovaný skupinou pěti genů, tzv. genů strukturních, tj. genů kódujících bílkoviny. Za geny strukturními je konečně další krátký gen, tzv. terminátor, jehož funkcí je v daném místě transkripci ukončit. K ukončení potřebuje spolupráce proteinového termínač-ního faktoru, tzv. ró-faktoru, bez jehož zásahu by transkripce přešla do sousedního operonu. Tento celek sc nazývá operou a představuje jednotku transkripce, poněvadž jeho transkripcí vzniká jediná molekula informační RNA, kódující všechny
446
oTJZ tíi^*1 SkUpÍDy (0br' 241)> Zmínčné ^gulační, ležící na začátku cperonu, nazýváme gen promotor* a gen operátor
Gen promotor je úsek, na který nasedá molekula RNA-polymerasy, jejímž úkolem ,e provést synthesu iRNA, tj. transkripci celého operonu. Předpokládáme, že promotor obsahuje specifickou sekvenci nukleotidů, která je stereochemicky komple-mentárrd (tedy padnoucí jako klíč do zámku) k některé části molekuly RNA-polymc-
53a ^h* pr°7t0írOZř°Zná5 naSedn£ na něi a transkribovat info^L RNA. Kdyby nebylo takového rozpoznaní počátku operonu, transkripce by probíhala
i
UR
"Bl f
s4
CR
°¥«Vt£^,r*lZSľU- a) Gen "S^tor^R"produkuje
genu operátoru (O).
řec. promoteo = napřed pohybovali, posunovali
447
zcela chaoticky. V promotoru zasahují regulační faktory mající charakter aktivátorů (viz str. 452).
Jestliže RNA-polymerasa nasedla na promotor, nezaručuje to ještě, že transkripce skutečně proběhne. Závisí to na stavu druhého regulačního genu., genu operátoru, který následuje těsně za promotorem. Jestliže je gen operátor volný, polymerasa pokračuje v transkripci a dosáhne genů strukturních, kódujících bílkovinné enzymy, provede jejich transkripci do iRNA. Jestliže však gen operátor volný není, polymerasa nemůže pokračovat v činnosti a genů strukturních nedosáhne.
Blokáda operátoru je klíčový moment celého regulačního systému a klíčová látka schopná blokovat gen operátor se nazývá represor. Represor je bílkovina schopná rozeznat specifickou nukleotidovou sekvenci genu operátoru a vázat se na něj. Jako každá bílkovina, i represor je kódován dalším regulačním genem, který bývá ve vzdálenějším úseku chromosoinu. Tento gen se nazývá gen regulátor a je zodpovědný za synťhesu uvedeného represoru. Represor se synthesuje neustále a jeho úkolem je blokovat gen operátor, jestliže je v buňce, v uvedeném příkladě, dostatek synthesovaného tryptofanu.
Interakce mezi represorem a tryptofanem je založena na podobných principech jako mechanismus alosterické inhibice, to jest na změně terciární struktury bílkovinné makromolekuly při styku s určitou specifickou látkou, tzv. korepřesorem (obr. 242). Korepřesorem je v případě synthesy tryptofanu sám tryptofan. Tryptofan se váže s represorem a mědí jeho terciární strukturu tak, že se aktivuje represor, je schopen rozeznat specifickou sekvenci nukleotidů genu operátoru a vázat se na něj. Výsledkem je zastaveni synthesy tryptofanových enzymů. Vazby tryptofanu na represor nebo represoru na operátor nejsou příliš pevné, což je pro funkci regulačního systému výhodou, Jakmile totiž koncentrace regulované látky, tedy tryptofanu, klesne pod určitou hodnotu, uvolní se tato látka (korepresor) z vazby s represorem. Represor se v důsledku toho uvolní z vazby s operátorem a RNA-polymerasa se může přesu-noutpo chromosomu a pokračovat v činnosti, synthesa tryptofanové iRNA a tryptofanových enzymů se obnoví a trvá tak dlouho, dokud tyťo enzymy opět nenasynthesuji dostatek tryptofanu/korepresoni), který opět aktivuje represor. Represor pak blokuje operátor a činnost genů strukturních. Tímto mechanismem se koncentrace regulované látky, tedy tryptofanu, udržuje na konstantní a optimální výši.
V buňce je pochopitelně velký počet různých represoru kontrolujících synthesy různých bílkovin, každý z nich musí rozeznávat určitý jiný operátor a mít schopnost reakce se zcela určitým korepřesorem.
Regulace synthesy enzymů potřebných k využití cukrů a jiných živin. Indukce fi-galaktosidasy
Naočkuj eme-li bakterie Escherichia coli do živného roztoku obsahujícího jako zdroj uhlíku a energie cukr glukosu, bakterie se množí a to ihned po naočkování. Jestliže však jim místo glukosy poskytneme méně obvyklý cukr, laktosu, bakterií zpočátku
448
Obr. 243. Adaptace bakterii na laktosu. V živném l°8-roztoku bylo přítomno omezenéj ne zcela dosta- množství tečné množství glukosy a laktosy. ŇaoČkované buněk
bakterie začaly ihned růst a využívaly glukosu jako zdroje energie a uhlíku. Po vyčerpání glukosy se růst přechodní zastavil. Po nějaké době la-tence se indukovalo dostatek beta-galaktosidasy a buňky znovu rostly až do vyčerpání laktosy.
glukosy   4_^ laktosy ^
bez láteříce   doba iiviny
latence vyčerpány
.adaptace* růst
na laktosu zastaven
po určitou dobu (tzv. latence) nepřibývá, po určité době se však něco změní, bakterie získají schopnost zužitkovávat laktosu arostou stejně dobře jako s glukosou. Zkomplikujeme-li pokus tak, aby v živném roztoku bylo současně omezené množství každého z obou cukrů, pak růst bakterií probíhá, takto (obr. 243): Bakterie se začnou množit ihned pó přenesení do uvedeného roztoku a zužitkovávají pouze obvyklejší cukr, glukosu. Jakmile je glukosa vyčerpána, růst se zastaví. Po nějaké době latence však bakterie opět rostou a množí se, a to až do vyčei^ánříaktosy. Při studiu takového pokusu vznikají dva problémy: první — jak to, že bakterie, které normálně nemají schopnost využít laktosu, této schopnosti po určité době latence nabudoui a za druhé, jak to, že této schopnosti nenabudou v prítomnosti glukosy, avšak teprve po jejím vyčerpání?
Bylo zjištěno, že adaptace na zužitkování glukosy je podmíněna synthesou enzymu p-galaktosidasy, který katalysuje Štěpení laktosy na jednodušší cukry, buňkou snáze zpracovatelné. Dále bylo zjištěno, že v normálních podmínkách, tedy v přítomnosti glukosy, buňka (3-gaIaktosidašu neobsahuje, že ji však obsahuje po adaptaci na laktosu. První problém adaptace na laktosu a synthesu p-galaktosidasy lze vysvětlit aplikací represorového mechanismu regulace, podobně jako v předešlém případě regulace synthesy tryptofanu. Represorový systém je v tomto případě podobný předešlému tím, že schopnost represoru blokovat operátor závisí na vazbě s nízko-molekulární látkou, jejíž přítomností se má buňka přizpůsobit, v tomto případě s lak-tosou. Zatímco však v případě tryptofanu byl represor korepresorem (tryptofa-nem) aktivován, v případě laktosy je represor laktosou inaktivován,takževpří-tomnosti laktosy represor ztrácí schopnost vázat se na operátor a v důsledku toho se rozvine synthesa iRNA a enzymů zpracovávajících laktosu (obr. 244).
449
Poněvadž laktosa tímto mechanismem synthesu enzymů indukuje, nazývá se induktorem. Stejného názvu se používá pro jiné nízkomolekulárnl látky, inaktivuíkí represory a indukující tak synthesu enzymu. Všimněme si, že laktosa je pro buňku substrát výchozí materiál metabolické aktivity, a působí jako inďuktor, zatímco ttyptofan byl naopak produktem metabolické aktivity a působU jako korepresor. .Platí obecne, ze substráty bývají induktory, konečné produkty korepresory
7C-
ZLjlJ......	p	o	St	s2	š> 1--------
1	w		—-		—►
-rna
Obr. 244. Indukce enzymu substrátem. Gen regulátor produkuie aktivní renr«nr ! ar«í w   - u
Př" cukrulaictosy^Sse ^SlSSS^SĚSSr^SS^S,
SnL^T T.ľ* ^^-Prty™™* postoupí z promotoru přes S cS^rSny .trukturm „S, - Sa«, traduje ,e, vzniklá i- RNA Wduje enzymy (Ei, E2> taJ^S^Í
Enzymy, které podléhají tomuto mechanismu regulace cestou indukce a represe nazývají se induábilni a represibilní. Naproti tomu druhá skupina enzymů, jejichž synthesa této regulaci nepodléhá, jsou enzymy konstitutivní. Konstitutivní enzymy se synthesujf ve stále stejném množství. Enzymová indukce a represe jsou regulační zásahy, které se uskutečňují přímo na genetickém materiálu chromosomu.
Řízení synthesy enzymů pomocí represoru a příslušných efektorů je pro buňku výhodné a ekonomické. Při represi konečným produktem (aminokyselinou) buňka ne-synthesuje zbytečně enzymy, jestliže jejich produktu (aminokyseliny) má dostatek Pri induka, tj. derepresi induktorem, obvykle některou živinou, cukrem apod , buňka začne synthesovat enzym, nutný pro zpracování tohoto substrátu, a přestane,'jakmile tento substrát zmizí a je nahrazen obvyklejší glukosou. I když při indukci synthesy enzymů se může indukovat enzym, který buňka ani její předkové po mnoho generací nikdy nesynthesovali, nejde přesto o změnu dědičnosti: Indukovat je možno jen takový enzym, pro který má buňka připraven příslušný strukturní gen.
b) Cyklický adenosinmonofosfát
Vrátíme se k druhé otázce, vyplývající z pokusu o současném působení laktosy a glukosy na množení bakterií, a to k problému, proč se induktivní enzymy