1. Základy genetiky
Yüklə 5,01 Kb. Pdf görüntüsü
|
|
Tabulka genetického kódu Tabulka určuje druh aminokyseliny, který je při proteosyntéze přinesen pomocí tRNA na ribozóm. Určující je pořadí nukleotidů v tripletu na mRNA, kaţdému odpovídá nějaká aminokyselina. Některé aminokyseliny jsou kódovány více neţ jednou moţností. Speciální význam mají triplety AUG, který zahajuje proteosyntézu a triplety UAA, UAG a UGA, které ji ukončují. Obrázek 1 - Tabul ka genetického kódu Proteosyntéza Proteosyntéza je zahájena iniciační tRNA, to jest tou, která nese methionin. Ta se naváţe na malou ribozomální podjednotku a začne pomalu projíţdět molekulu mRNA od 5' konce. Jakmile objeví iniciační sekvenci AUG - naváţe se a translace začíná. Na další sekvence (kodony) nasedají další tRNA podle komplementarity bází (systém kodon na mRNA - antikodon na tRNA). Mezi přinesenými amino kyselinami vznikají peptidové vazby. Za tuto část translace - elongaci - je zodpovědná zejména velká ribozomální podjednotka. Jakmile zbývá jiţ jen kodon beze smyslu (terminační) je proteosyntéza ukončena a vzniklé polypeptidové vlákno můţe být dále v buňce upravováno na poţadovanou bílkovinu. Drsné endoplazmatické retikulum (s ribozomy) je specializováno pro tvorbu transmembránových proteinů (různé iontové kanály či receptory) nebo proteinů určených "k zabalení", které se zabudují do vnitřku membrán (sekreční granula, lyzosomy). Naopak volné ribozomy se podílejí především na tvorbě cytoplazmatických proteinů (enzymy, atd.). Posttranslační úpravy Vzniklé polypeptidové vlákno je v buňce samozřejmě dále upravováno, ať jiţ v endoplazmatickém retikulu nebo v Gol giho systému. V endoplazmatickém retikulu je to jiţ výše zmíněné zabudovávání neno "balení" do membrán a zahájení procesu glykosylace. Velké mnoţství proteinů není ve své finalní podobě čistými proteiny, ale tzv. glykoproteiny , coţ jsou proteiny s navázanými řetězci oligosacharidů (vícečetných cukrů). To je velmi důleţité pro finální 3D strukturu výsledného produktu. V Golgiho aparátu je proces gylkosylace jemnějšími prostředky dokončen. Velké mnoţství produktů proteinové povahy nemá biologickou aktivitu, dokud z něj nejsou odštěpeny určité části řetězce. To se můţe dít extra - i intracelulárně. Příkladem budiţ některé trávicí enzymy, které jsou buňkami produkovány v neaktivní formě a jsou aktivovány aţ v patřičné části trávicího traktu, kde jiţ jejich účinek neohroţuje okolní tkáně. 6) Enzymy v genetice a molekulární biologii Enzymy jsou biokatalyzátory a jako takové katalyzují obrovské mnoţství biochemických reakcí. Z hlediska genetiky jsou zajímavé zejména ty enzymy, které katalyzují takové procesy jako je rep likace DNA nebo transkripce z DNA do RNA. Z hlediska genetiky klinické jsou potom zajímavé enzymy, jejichţ deficit, způsobený mutací v genetické informaci jedince, je odpovědný za vznik některých dědičných onemocnění. Uvedený seznam není rozhodně vyčerpávající a je pouze ilustrační. Adenosindeamináza Katalyzuje přeměnu z adenosinu na inosin. Její deficit se projeví jako těţká kombinovaná imunodeficience ( SCID - Severe Combined ImunoDeficiency) s úbytkem T - i B- lymfocytů. Aminoacyl-tRNA- syntetáza Katalyzuje připojení příslušné aminokyseliny na 3' konec příslušné tRNA (s příslušným antikodonem). A- transferáza Účastní se syntézy aglutinogenu A (krevní skupiny). Připojuje N -acetyl-galaktosamin na antigen H. B- transferáza Účastní se syntézy aglutinogenu B (krevní skupiny ). Připojuje D -galaktosu na antigen H. DNA- dependentní DNA - polymerázy Skupina enzymů, které katalyzují polymeraci DNA řetězce, přičemţ jako matrice je vyuţíváno vlákno DNA. Během polymerace postupují pouze od 5' konce ke 3' konci (matrice je čtena opačným směrem) a potřebují mít volný 3' konec předchozího nukleotidu s OH skupinou. Nejdůleţitější funkcí je tedy replikace DNA. Některé typy mají i 5' - > 3' exonukleázovou aktivitu. Rozlišujeme některé prokaryotické a eukaryotické DNA - dependentní DNA - pol ymerázy Prokaryotické DNA - polymerázy Typ Funkce polymerázy Polymeráza I Vyštěpení RNA primerů na opoţďujícím se řetězci a dosyntetizování vlákna, reparační funkce Polymeráza II ?? Reparační funkce ?? Polymeráza III Hlavní replikační enzym prokaryot Eukaryotické DNA - polymerázy Typ polymerázy Funkce Polymeráza α Replikace na opoţďujícím se řetězci Polymeráza β Reparační funkce Polymeráza γ Replikace mitochondriální DNA Polymeráza δ Replikace na vedoucím řetězci DNA- dependentní RNA - polymerázy Sku pina enzymů, které katalyzují transkripci, tedy přepis z DNA do RNA. Během polymerace postupují pouze od 5' konce ke 3' konci (matrice je čtena opačným směrem). Nevyţadují volný 3' konec. U prokaryot nacházíme pouze jeden typ DNA- dependentní RNA - polymerázy . U eukaryot nacházíme typy tři, které odlišujeme na základě produktů transkripce. Eukaryotické RNA - polymerázy Typ polymerázy Produkt transkripce Polymeráza I 45S pre- RNA (Základ pro 5.8S, 18S a 28S rRNA) Polymeráza II pre- mRNA (všechny) Polymeráza III snRNA, 5S rRNA, 7S RNA, pre- tRNA (všechny) DNA- fotolyáza Účastní se reparace DNA tím, ţe vyštěpuje nukleotidové dimery (např. dimery thyminu). Její aktivita je závislá na světelné energii. Fenylalaninhydroxyláza Katalyzuje přeměnu fenylalaninu na tyrosi n. Deficit tohoto enzymu podmiňuje fenylketonurii (viz genetické choroby ). Fukosyltransferáza Účastní se syntézy antigenu H tím, ţe přenáší L -fukosu na konec 4- cukerného řetězce. Antigen H je prekurzorem pro vznik antigenů A a B (viz krevní skupiny ). Galaktosa-1- fosfáturidyltransferáza Enzym se účastní metabolismu galaktosy (obousměrná přeměna glukosy -1- fosfátu a galaktosy-1- fosfátu). Jeho deficience je příčinou galaktosemie . Glukosa-6- fosfátdehydrogenv Je hlavním ezymem pentosafosfátové metabolické dráhy glukosy. Její deficience se projevuje hemolýzou, zejména po podání určitých léčiv (sulfonamidy, antimalarika) nebo favových bobů ( favismus ). Helikáza Helikázy jsou schopny rozplétat dvoušroubovici DNA a zpřístupnit tak jednotlivá vlákna dalším enzymům (účastní se tak například replikace DNA). Ligáza Ligáza je enzym napojující nespojené konce nukleové kyseliny (účastní se tak například spojování Okazakiho fragmentů; velký význam má v genetickém inţenýrství pro konstrukci rekombinantní DNA). Existují DNA - i RNA-ligasy. Methylentetrahydroftolátreduktáza Enzym známý pod zkratkou MTHFR se účastní metabolismu kyseliny listové a přeměny homocysteinu na methionin. U matek s deficitem tohoto enzymu je vyšší riziko narození dítěte s defektem neurální trubice ( NTD ). Nuk leázy Jde o enzymy štěpící nukleové kyseliny. Můţe jít o enzymy s degradační funkcí (trávicí) nebo funkcí reparační (vyštěpování chybných úseků DNA). Podle substrátu rozlišujeme ribonukleázy (RNA) a deoxyribonukleázy (DNA), podle způsobu štěpení pak exonuk leázy a endonukleázy . Zvláštní skupinou jsou restrikční endonukleázy - viz níţe. Peptidyltransferázy Katalyzuje vznik peptidové vazby mezi dvěma aminokyselinami během tvorby polypeptidového řetězce na ribozomu. PolyA- polymeráza Připojuje okolo 200 adeninových nukleotidů (poly -A konec) na 3' konec mRNA u eukaryot. Primáza Je to vlastně DNA - dependentní RNA - polymeráza. Jako taková je schopná bez volného 3' konce nasyntetizovat krátký úsek RNA (primer) a od jeho 3' konce jiţ můţe polymeraci provádět příslušná DN A- dependentní DNA - polymeráza. Uplatňuje se při replikaci DNA. Restrikční endonukleázy Původem bakteriální enzymy mají dnes největší vyuţití v genetickém inţenýrství. Štěpí DNA v určitých specifických sekvencích (často jde o palidromické sekvence) a u bakterií slouţí jako ochrana před cizorodou DNA. Reverzní transkriptáza Je to RNA- dependentní DNA polymeráza. Umoţňuje tedy přepis z RNA do DNA. Jde o enzym typický pro retroviry . Jako DNA- polymeráza potřebuje pro zahájení primer jako zdroj volného 3' konce. RNA- dependentní RNA - polymeráza Jde o enzym negativních RNA virů. Provádí přepis z virové RNA do mRNA, která je vyuţitelná pro syntézu virových proteinů. Topoizomerázy Tyto enzymy pracují s nadšroubovicí DNA, kterou ruší nebo znovu vytvářejí. Za tímto účelem jsou schopny rozpojovat a znovu napojovat vlákna DNA. Tyrozináza Katalyzuje přeměnu tyrozinu na Dopa. Z této metabolické cesty vzniká melanin (pigment), proto deficience tohoto enzymu způsobuje jednu z forem albinizmu . Ribozymy Bylo zjištěno, ţe katalytickou (lépe řečeno autokatalytickou) funkci má i RNA. Taková RNA se označuje jako ribozym . Tento objev je významný z evolučního hlediska, neboť nabízí způsob, jakým docházelo ke katalýze nejdůleţitějších procesů nukleových kyselin bez komplexnějších proteinov ých enzymů, které musely vzniknout aţ později. Proto se dnes předpokládá, ţe současnému světu DNA organismů předcházel svět jednoduchých RNA organismů. 7) Mutace Mutace jsou změny v genotypu organismu oproti normálu. Velká většina mutací vzniká náhodnými mech anizmy, cílená mutageneze se pouţívá téměř výhradně pro vědecké účely. Typy mutací Mutace je moţné rozdělit hned z několika úhlů pohledu. Podle okolností jejich vzniku dělíme mutace na spontánní a indukované . Podle úrovně, na které genetickou informaci ovlivňují, dělíme mutace na genomové , chromozomové a genové . Z pohledu evoluce dělíme mutace na evolučně výhodné , nevýhodné a neutrální . Z pohledu typu postiţených buněk u vyššího organizmu (například u člověka) dělíme mutace na somatické a gametické . Podrobnější dělení naleznete u popisu jednotlivých typů mutací. Spontánní a indukované mutace Mutace vzniklé díky chybě při replikaci DNA se nazývají mutace spontánní (dochází k nim bez zásahu z vnějšího prostředí). DNA polymeráza je ovšem velmi přesná, navíc má samoopravnou funkci. Pravděpodobnost jedné takovéto chyby se pohybuje v řádech asi 10 -7 . Četnost těchto mutací je tedy velice nízká, navíc buňky jsou do jisté míry schopné tyto chyby díky reparačním enzymům likvidovat. Většina mutací je tedy tzv. indukovaných , tj. vyvolaných vnějšími mutagenními faktory . Mutace genomové Genomové mutace jsou nejrozsáhlejší typy mutací, týkající se celého genomu nebo jeho velkých částí (celých chromozomů ). Nej rozsáhlejší změnou je znásobení celé chromozomální sady . Takovýto stav se nazývá polyploidie - za normálních podmínek jsou vyšší organizmy diploidní (2n), polyploidní jedinec je 3n (triploidní), 4n (tetraploidní) nebo i více. Tento stav je relativně běţný u některých rostlin, ovšem u člověka (a vyšších ţivočichů obecně) není slučitelný se ţivotem . Běţně polyploidní jsou ty buňky, které mají více jader (syncytia - např. příčně pruhované svalové vlákno) nebo u buněk, kde je velmi vysoká metabolická aktivita, která vyţaduje velkou transkripční aktivitu (příkladem mohou být jaterní buňky - hepatocyty). Druhým extrémem pak mohou být červené krvinky - erytrocyty, které jako terminální buňky nemají jádro a postrádají tak jadernou genetickou informaci (tento stav by se mohl nazývat nuliploidie). Stav, kdy chybí - nebo naopak přebývá - pouze některý chromozom z celé chromozomální sady se nazývá aneuploidie . Pokud v diploidní buňce (normální stav je tedy dizomie ) chybí jeden chromozom z páru, nazýváme tento stav monozomie ; pokud naopak jeden chromozom daného páru přebývá (je navíc), označujeme tento stav jako trizomie . Tyto abnormality vznikají díky chybě rozestupu chromozomů při buněčném dělní - tzv. nondisjunkci . Podrobnosti o těchto odchylkách u člověka a klinických syndromech naleznete v kapitole chromozomální aberace . Mutace chromozomové Chromozomové mutace jsou strukturní změny na úrovni jednotlivých chromozomů. Obecně se označují jako chromozomové aberace. Strukturní změny chromozomů vznikají jako následek chromoz omální nestability ( chromozomálních zlomů ), způsobené nadměrnou expozicí jedince mutagenům, nebo zhoršenou funkcí reparačních mechanismů. Následky těchto odchylek závisí na tom, zda je i po strukturní přestavbě zachováno normální mnoţství genetické informa ce. Pokud ne, potom dochází k fenotypovým projevům, které se odvíjejího od toho, která část genomu chybí nebo je strukturně poškozena, či naopak přebývá. Strukturní změny chromozomů tedy můţeme rozdělit na: Balancované - kde je zachováno původní mnoţství genetické informace. Nebalancované - kde původní mnoţství genetické informace zachováno není a jejich nositel můţe mít různě závaţné fenotypové projevy. Podle mechanizmu vzniku klasifikujeme chromozomální přestavby takto: Duplikace Znásobení úseku chromozomu. Můţe být způsobeno nerovnoměrným crossing -overem , jehoţ následkem dojde na jednom chromozomu k duplikaci sledovaného úseku, zatímco na druhém je tentýţ úsek deletován (vizte níţe). Delece Část chromozomu chybí. Deletován můţe být konec raménka (potom jde o terminální deleci) nebo střední část některého z ramének chromozomu (intersticiální delece). Delece vznikají jako následek chromozomální nestability nebo nerovnoměrného crossing - overu (viz výše). Inzerce Inzerce vzniká jako následek minimálně 3 chromozomálních zlomů, kdy dojde k začlenění části chromozomu (vyštěpené z určitého chromozomu) do jiného chromozomu. Inverze Při inverzi dochází vlivem chromozomové nestability k vyštěpení části chromosomu, jejímu převrácení a následnému napojení. Například následkem inverze na chromozomu s původní sekvencí A -B-C-D-E-F-G-H by byla sekvence A-B-F-E-D-C-G- H (pokud je na invertované části chromozomu centromera , potom je inverze označována jako pericentrická; pokud na invertovaném úseku centromera není - jde o inverzi paracentrickou). Translokace Při translokaci je část chromozomu vyštěpena z původního chromozomu a připojena k jinému chromozomu. Translokace mohou být balancované (kdy je zachováno stejné mnoţství genetické informace v buňce) nebo nebalancované (kdy původní mnoţství není dodrţeno). Reciproké translokace jsou vzájemné translokace mezi dvěma nehomologními chromozomy. Chromozomy si vymění nehomologní úseky, počet chromosomů však zůstane stejný. Robertsonské translokace jsou zvláštní případy translokace, kdy dochází k fúzi dvou akrocentrických chromozomů (po ztrátě krátkých ramen). Jedinec s takovouto balancovanou translokací má o chromozom méně, ale původní mnoţství genetické informa ce - proto většinou nemá ţádné fenotypové projevy. Současně má však velmi velké riziko, ţe jeho děti budou postiţeny nebalancovanými chromozomálními aberacemi. Izochromozom Isochromozom je chromozom, který má pouze dlouhá, či naopak pouze krátká raménka. V zniká chybným mitotickým rozestupem chromozomů, kdy nedojde k rozestupu chromatid, ale do jedné dceřiné buňky se dostanou obě krátká raménka a do druhé obě raménka dlouhá. Ring chromozom Pokud dojde u chromozomu k deleci konců obou ramének (telomer), můţe se tento chromozom stočit, koncové části se spojí a vznikne "kolečko" - tedy kruhový chromozom ( ring chromosome). Fragmentace Fragmentace je krajní případ chromozomové aberace, kdy vlivem silných mutagenů a vysoké chromozomální nestability dojde k rozpadu chromozomu na fragmenty. Buňka s takovýmto chromosomem se nemůţe dále mitoticky dělit a můţe u ní být navozena apoptóza. Marker chromozom Marker chromozom je malý chromozomální fragment, který získal schopnost existovat samotně jako chromozom i v průběhu mitotického dělení. Musí mít tedy funkční centromeru, jako kterýkoliv jiný chromozom. Podrobnosti o těchto odchylkách u člověka a klinických syndromech naleznete v kapitole chromozomální aberace . Genové mutace Probíhají na úrovni vlákna DNA . Jsou to tedy ta kové změny, které mění pořadí nukleotidů oproti normální sekvenci (normálnímu pořadí). Genové mutace, týkající se změny v rozsahu jednoho jediného nukleotidu také označujeme jako mutace bodové . Genové mutace mohou vzniknout jak v kódujících , tak v nekódujících oblastech genomu. Podle mechanizmu vzniku rozlišujeme hned několik typů genových mutací: Adice (inzerce) Zařazení jednoho nebo více nadbytečných nukleotidových párů. Pokud je zařazen takový počet nukleotidů, který není celočíselným násobkem čísla 3 (3 n), potom dojde k posunu čtecího rámce (tzv. frameshift mutation ) a následně k syntetizování zcela odlišného polypeptidu nebo dokonce k předčasnému ukončení proteosyntézy vznikem terminačního kodonu. Zařazení 3n nukleotidů (nenarušujících původní čtecí rámec) obecně prodluţuje polypeptidový řetězec o n aminokyselin podle inzertované sekvence. Delece Jde o ztrátu jednoho nebo více nukleotidů původní sekvence. Účinek je podobný jako u adicí, pouze místo prodlouţení polypeptidového řetězce dochází ke zkracování. Delece mohou rovněţ vést k posunu čtecího rámce. Substituce Substituce je náhrada (či záměna) báze původní sekvence bází jinou. Pokud jde o záměnu purinové báze za purinovou bázi, nebo o záměnu pyrimidinové báze za pyrimidinovou bázi - pak je tato subst ituce označena jako transice . Záměna purinové báze za bázi pyrimidinovou nebo naopak se označuje jako transverze . Následeky substituce mohou být různé, podle toho, na které pozici kodonu k substituci došlo. Několik příkladů genových mutací na malém úseku (jednoho) vlákna DNA: Původní sekvence: A-A-A-G-G-G-C-C-C-T-T-T Adice: A-A-A-G-G- T-T -G-C-C-C-T-T-T Delece: A-A-A-G- _ -G-C-C-C-T-T-T Substituce: A-A-A-G- A -G-C-C-C-T-T-T Budeme- li ovšem uvaţovat, ţe k mutaci došlo v kódujícím úseku DNA, můţeme si dále genové m utace rozdělit podle toho, jak ovlivní proteosyntézu. Mutace neměníci smysl (samesense, silent mutation), které těţí z degenerace genetického kódu (tedy z faktu, ţe některé aminokyseliny jsou kódovány různými triplety), neboť je i přes mutaci zařazena stejná aminokyselina. Jsou způsobeny substitucemi na třetí pozici tripletu. Mutace měnící smysl (missense mutation), které mění smysl polypeptidového vlákna. Jsou způsobeny zejména takovými substitucemi, které způsobí zařazení odlišné aminokyseliny při proteos yntéze. Záleţí ovšem také na tom, k jaké záměně aminokyseliny nakonec dojde (některé aminokyseliny mají podobné vlastnosti - záměna tedy můţe být víceméně konzervativní) Yüklə 5,01 Kb. Dostları ilə paylaş:
|