Základní pojmy molekulární biologie Biomakromolekuly Živý organismus •Prostorově ohraničená soustava. • • • • •Z termodynamického hlediska jsou organismy otevřené soustavy (vyměňují si látky a energii s okolím). • •Jsou schopny přijímat podněty z okolí a reagovat na ně. • •Probíhá u nich přeměna látek a energií – metabolismus. [USEMAP] Co zajímá bioinformatika? evolution Evoluce bioinformatika •Všechny živé organismy mají schopnost se reprodukovat. Předávají potomkům dědičnou informaci, která definuje druh organismu. Genetická informace DNA RNA Proteiny Kompletní návod, jak má organismus vypadat, z čeho a jak se má postavit, jak se udržet naživu a ještě se rozmnožit a postat návod dál… Prostředek pro rozluštění zakódovaného návodu a následnou tvorbu produktů. Produkty vytvořené podle návodu, které to v organismu všechno zařizují. Stavební materiál. Katalýza chemických reakcí. Transport látek. Přenos informace. Pohyb. Ochrana. Co zajímá bioinformatika? Vyhledávání sekvencí zájmu Analýza sekvencí Určení struktury a funkce Co zajímá bioinformatika? Vyhledávání sekvencí zájmu Analýza sekvencí Určení struktury a funkce Bioinformatika Vyhledávání sekvencí zájmu Analýza sekvencí Určení struktury a funkce Bioinformatika Experiment Bioinformatika Experiment Za vším hledej biologický problém! Nukleové kyseliny •Živé organismy se vyvíjejí 3,5 miliardy let, přesto všechny přechovávají genetickou informaci stejně – jako nukleovou kyselinu. • •Dlouhý, nerozvětvený polymer tvořený 4 typy monomerů. Informace je uložena v pořadí (sekvenci) monomerů. • •DNA – deoxyribonukleová kyselina – vlastní nosič genetické informace. • •RNA – ribonukleová kyselina. • • Nukleotid 2-deoxy-b-D-ribosa Deoxyribonukleotid Kyselina trihydfrogenfosforečná Báze Lukáš Žídek Skripta předmětu C9530 Strukturní biochemie Báze Purinové báze Pyrimidinové báze Adenin (ade), A Guanin (gua), G Cytosin (cyt), C Thymin (thy), T Nukleotid Kyselina trihydfrogenfosforečná Báze b-D-ribosa Ribonukleotid Lukáš Žídek Skripta předmětu C9530 Strukturní biochemie Báze RNA Purinové báze Pyrimidinové báze Adenin (ade), A Guanin (gua), G Cytosin (cyt), C Uracil (ura), U Nukleosid x Nukleotid Cukr Báze Cukr Báze P Cukr + báze = nukleosid Cukr + báze + fosfát = nukleotid dA deoxyadenosin dG deoxyguanosin dC deoxycytidin dT deoxythymidin U uridin dAMP deoxyadenosinmonofosfát dGMP deoxyguanosinmonofosfát dCMP deoxycytidinmonofosfát dTMP deoxythymidinmonofosfát UMP uridinmonofosfát Číslování nukleotidů Lukáš Žídek Skripta předmětu C9530 Strukturní biochemie Konformace nukleotidů Pseudorotace ribofuranosového kruhu Cukr Báze syn Cukr Báze anti Konformace glykosidové vazby Lukáš Žídek Skripta předmětu C9530 Strukturní biochemie Polynukleotidový řetězec Image ch4e2.jpg C3' C5' 3´, 5´ - fosfodiesterová vazba Polynukleotidový řetězec 5´-P-C-A-G-3´-OH ATGCGTTGACGTTGCACGTGCAAGTCGCAGTCGATGCGATGCTGACGTACGTGCGTACGATGCGTCGTACGTGCTGACGTCGTACGT 5´ 3´ 5´ 3´ Párování bází Watsonovo-Crickovo párování bází Základní dsDNA, během transkripce při tvorbě RNA, dsRNA. Lukáš Žídek Skripta předmětu C9530 Strukturní biochemie Párování bází 5´ ATGCGCAGGAATGCATAG 3´ 3´ TACGCGTCCTTACGTATC 5´ A-T G-C Dvouřetězcová DNA, duplex, dsDNA Řetězce jsou antiparalelní a komplementární 5´ ATGCGCAGGAATGCATAG 3´ 5´ CTATGCATTCCTGCGCAT 3´ Komplementární NEZNAMENÁ totožný nebo „obrácený“! Dvoušroubovice •Nejčastější podoba sekundární struktury DNA. • •dsDNA (2 polynukleotidové řetězce). • • Řetězce jsou komplementární a antiparalelní. • Dvoušroubovice •Řetězce ovíjejí společnou osu šroubovice. • •Páry bází se vytvářejí uvnitř dvoušroubovice. • •Vnější část tvoří cukr(pentosa)fosfátová kostra – páteř DNA. Dvoušroubovice Figure 27.4. B-Form and A-Form DNA. B-konformace A-konformace Genetická informace DNA RNA Proteiny Kompletní návod, jak má organismus vypadat, z čeho a jak se má postavit, jak se udržet naživu a ještě se rozmnožit a postat návod dál… Prostředek pro rozluštění zakódovaného návodu a následnou tvorbu produktů. Produkty vytvořené podle návodu, které to v organismu všechno zařizují. Stavební materiál. Katalýza chemických reakcí. Transport látek. Přenos informace. Pohyb. Ochrana. Genetická informace DNA RNA Proteiny DNA Replikace Transkripce Translace Genetická informace Replikace Tvorba kopií molekul nukleových kyselin. Přenos genetické informace z DNA do DNA. Semikonzervativní (1 původní + 1 nový řetězec). Matricová (templátová) syntéza. DNA-polymerasa. DNA DNA Replikace Genetická informace Transkripce Přepis genetické informace z DNA do RNA. RNA-transkript, komplementární k matricové DNA-sekvenci. RNA-polymerasa ATGCGC TACGCG AUGCGC ATGCGC TACGCG DNA RNA DNA RNA DNA Replikace Genetická informace Translace Překlad genetické informace z RNA do proteinů. Překlad podle genetického kódu. Ribosom. RNA Ribosom Protein Protein DNA RNA Proteiny DNA Replikace Transkripce Translace Genetická informace DNA RNA Proteiny DNA Replikace Transkripce Translace Exprese genetické informace je složitý, vysoce regulovaný děj zprostředkovaný enzymy (proteiny). Translační a transkripční signální sekvence Pergamen TATA box Pribnowův box Promotor Shine-Dalgarnova sekvence Prokaryota Translační a transkripční signální sekvence Pergamen Eukaryota TATA box Hognessův box GC box GC box (gcc)gccRccAUGG Kozak sequence Sekvence Kozakové Promotor RNA-polymerasy II Prokaryota x eukaryota Prokaryota kridla_bocni_e Figure 1.7. Structures of animal and plant cells. Figure 1.7. Structures of animal and plant cells. Prokaryota x eukaryota Eukaryota ANd9GcTfHwRt2k2_DnfSL9NdTZCMWAAeK82GfqDXEoSlmVteP_GWv1g7qA Figure 1.7. Structures of animal and plant cells. Figure 1.7. Structures of animal and plant cells. Prokaryota x eukaryota Eukaryota Concorde crash Paris Proteiny •Protein, polypeptid, bílkovina. • •Lineární polymer aminokyselin spojených peptidovými vazbami. • •Funkce: katalytická, regulační, transportní, zprostředkování pohybu, obranná, strukturální, zásobní. RNA Ribosom Protein Protein Proteinogenní aminokyseliny •Stavební jednotky proteinů: a-L-aminokyseliny. •20 standardních proteinogenních aminokyselin. •Alifatické (Gly, Ala, Val, Leu, Ile). •Sirné (Cys, Met). •S OH skupinou (Ser, Thr). •Kyselé a z nich odvozené (Glu, Gln, Asp, Asn). •Bazické (Lys, Arg). Proteinogenní aminokyseliny Proteinogenní aminokyseliny Proteinogenní aminokyseliny Proteinogenní aminokyseliny 21. aminokyselina – selenocystein, Sec, U 22. aminokyselina – pyrrolysin, Pyl, O Peptidová vazba Figure 3.18. Peptide-Bond Formation. NH2 COOH NH2 COOH + NH2 COOH N-konec C-konec MTWCKTMIDQGRSWPHCYYGMAADTYYKKLTPGHTQVGITILMGACGCCCGTGCRNMSDETGCWWCGTAHSPGCTDEQLRCGLVCGT N C N C Sekundární struktura Figure 3.37. An Antiparallel β Sheet. Figure 3.38. A Parallel β Sheet. Figure 3-6. Model of the α helix. a-helix b-skládaný list Terciární struktura a-helix b-skládaný list Genetický kód RNA Ribosom Protein Protein •Překlad na ribosomu probíhá podle genetického kódu. • •Každá aminokyselina v proteinu je kódována trojicí nukleotidů. • •Základní jednotkou genetického kódu je kodon: pořadí tří nukleotidů kódující určitou aminokyselinu nebo určující začátek a konec přepisu na ribosomu. Čtení genetického kódu AUG UCG CAU GCC UAC AGC GUA CGG Met Ser His Ala Kodony na mRNA Antikodony na tRNA Aminokyseliny nesené tRNA mRNA Ribosom Protein Protein tRNA s aminokyselinami UAC AGC GUA CGG Met Ser His Ala AUGUCGCAUGCC U ACA GCG UAC GG Cys Arg Met UA CAG CGU ACG G Val Ala Cys Čtení závisí na tom, u kterého nukleotidu stanovíme počátek čtení. Možnosti (3) čtení se označují jako čtecí rámce. Kodonová tabulka Vlastnosti genetického kódu •Genetický kód je tripletový (třípísmenový). •Obsahuje 64 kodonů. •Je degenerovaný, jedna aminokyselina je kódována několika různými kodony. •61 kodonů kóduje aminokyseliny (mají smysl). •Nesmyslné kodony (nekódují aminokyselinu): UAA, UAG. Signalizují zakončení syntézy polypeptidu = terminační kodony. •UGA = bifunkční kodon. Terminační a kodon pro selenocystein. •AUG = bifunkční kodon. Kodon pro methionin nebo signalizuje začátek syntézy polypeptidu (iniciační kodon). •Většina kodonů je univerzální. Gen •Jednotka genetické informace. •Obsahuje informaci o primární struktuře translačního produktu (strukturní geny) nebo funkční molekuly produktu transkripce (tRNA, rRNA). ATG STOP 5´ 3´ Gen •Jednotka genetické informace. •Obsahuje informaci o primární struktuře translačního produktu (strukturní geny) nebo funkční molekuly produktu transkripce (tRNA, rRNA). ATG STOP 5´ 3´ Met DNA RNA Protein Složený gen •Geny eukaryotických organismů obsahují exony a introny. Přepisy intronů jsou vyštěpovány (sestřih) a na ribosomu se překládají pouze spojené exony. • Exon Intron Exon Transkripce Sestřih Translace DNA Primární transkript mRNA Protein Genom, genotyp, fenotyp •Genom – soubor všech genů buňky nebo viru. •Geny kódující určitý protein nemusí mít stejnou nukleotidovou sekvenci, rozeznáváme různé varianty téhož genu. Varianty stejného genu označujeme jako alely. •Genotyp – Sestava alel jedince daného druhu. Dva jedinci mají stejný genom, ale liší se právě sestavou alel. •Fenotyp – soubor znaků a vlastností, kterými se v daném prostředí projevuje genotyp organismu. Použitá literatura Cover of Molecular Biology of the Cell Molecular Biology of the Cell, 4th edition Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter New York: Garland Science; 2002. ISBN-10: 0-8153-3218-1ISBN-10: 0-8153-4072-9 Cover of Molecular Cell Biology Molecular Cell Biology, 4th edition Harvey Lodish, Arnold Berk, S Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore, and James Darnell New York: W. H. Freeman; 2000. ISBN-10: 0-7167-3136-3 Použitá literatura Cover of The Cell The Cell, 2nd edition, A Molecular Approach Geoffrey M Cooper Boston University Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000. ISBN-10: 0-87893-106-6 Cover of Biochemistry Biochemistry, 5th edition Jeremy M Berg, John L Tymoczko, and Lubert Stryer New York: W H Freeman; 2002. ISBN-10: 0-7167-3051-0 Použitá literatura http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/browse/