Nukleové Kyseliny

NUKLEOVÉ KYSELINY

 

NK jsou makromolekuly tvořené řetězci vzájemně spojených nukleotidů.  Podle typu cukernaté složky se rozdělují na dva základní typy: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). 

Nukleotid je jednotkou nukleové kyseliny.  Skládá se z fosfátu, 5uhlíkatého cukru (ribózy nebo deoxyribózy) a dusíkaté báze (puriny: adenin, guanin; pyrimidiny: tymin, cytozin, uracil). 

                    

            tymin                           uracil                           cytozin                    adenin

               

             guanin                                           ribóza                                  deoxyribóza

 

 

V obou nukleových kyselinách je možné pozorovat některé stejné znaky. 

1/ hlavní řetězec (u DNA řetězce) tvoří střídající se fosfátové a cukrové podjednotky, na něž jsou navázané jednotlivé báze

2/ adenin, cytozin a guanin jsou společné dusíkaté báze

Rozdíly:

1/  RNA obsahuje uracil místo tyminu, který obsahuje DNA – uracil i tymin jsou komplementární na adenin

2/  RNA je jednovláknová, DNA dvojvláknová

3/  RNA obsahuje ribózu, DNA deoxyribózu – tedy cukr, který má na druhém uhlíku místo –OH

skupiny pouze -H

 

DNA

Je tedy složená z deoxyribonukleotidů (viz obrázky), obsahuje tymin, ale ne uracil.  Skládá se ze dvou vláken, které se stáčí proti sobě ve dvojšroubovici.  Podle vázání konečných fosfátů na uhlík 5´ nebo 3´ tak rozlišujeme konce 5´a 3´ DNA.  Dusíkaté báze se spojují na základě komplementarity vodíkovými vazbami (můstky) následujícím způsobem:

 

 

 

 

 

Mezi adeninem a tyminem se tak tvoří 2 vazby, zatímco mezi cytozinem a guaninem se tvoří vazby tři. Vodíkové vazby udržují oba polynukleotidové řetězce pohromadě; jejich rozrušením (například zahřátím) dochází k uvolnění řetězců od sebe, a tím k denaturaci molekuly.  Komplementarita dusíkatých bází umožňuje vytváření matric podle DNA (např. různé mRNA apod.).  Pořadí jednotlivých deoxyribonukleotidů v řetězci přímo určuje jeho primární strukturu.  Pravidelné uspořádání polynukleotidové stavby DNA  má prvořadý význam pro dědičnost – DNA nese informaci o fyziologických i morfologických vlastnostech organismu – tato informace je zakotvena právě v primární struktuře. 

 

 

 RNA

Stavbou je podobná DNA, rozdíly už byly naznačeny: složena z ribonukleotidů, většinou jenom jeden řetězec… Existují 3 různé druhy RNA:

Mediátorová RNA (také messenger RNA) (mRNA) – zásadně jenom jeden řetězec, proměnlivá velikost molekuly, v níž jsou obsaženy vždy jen 4 základní typy dusíkatých bází (A, C, G, U)

Ribozomální RNA (rRNA)

Transferová RNA (tRNA) – standardní velikost a tvar, relativně malé (70-80 ribonukleotidů), jejich ribonukleotidový řetězec vytváří sekundární dvojřetězcovou strukturu; v molekulách tRNA jsou ještě celkem hojně i tzv. minoritní dusíkaté báze – např. inozin, dihydrouracil, dimetylguanin); transferová RNA vypadá takto (má tzv. strukturu jetelového listu) – viz obrázek vpravo. 

Transferová RNA přináší aminokyseliny k ribozómům v komplexech naznačených na obrázku vpravo.  Tyto komplexy vznikají v cytoplazmě buňky za katalytického působení enzymů (aminoacyl-tRNA-syntetázy).  Protože organismus začleňuje do polypeptidových řetězců 20 aminokyselin, existuje také nejméně 20 různých typů molekul tRNA a rovněž nejméně 20 různých typů katalyzujících enzymů.  Molekuly tRNA jsou sice primárně jednořetězcové, ale některé oblasti se k sobě navzájem přikládají a mezi komplementárními páry nukleotidů se vytvářejí vodíkové vazby.  Sekundárně tak vzniká dvojřetězcová struktura.  Jednořetězcové oblasti (na obr. označené červeně)  jsou velmi významné.  Oblast antikodónu obsahuje specifickou trojici nukleotidů, která je komplementární  k příslušnému kodónu mRNA . 

 

 

 

 

 

OD DNA K PROTEINU

 

Cesta od molekuly DNA, kterou má každá jaderná buňka ve svém jádře, k vytvoření proteinu vede přes několik fází. Jsou nimi transkripce, translace a proteosyntéza.  Na obrázku jsou doufám docela přehledně znázorněny.

Transkripce je enzymatický proces, jehož průběh je závislý na katalytickém působení RNA-polymerázy.  Při transkripci (přepisu genetické informace z DNA do RNA) se tvoří mRNA.  Nejprve dochází k rozvolnění jednoho úseku DNA, a to v oblasti molekuly, která se nazývá promotor.  Na základě komplementarity dusíkatých bází probíhá na jednom vlákně DNA přiřazování komplementárních nukleotidů.  Jejich vzájemným spojením diesterickými vazbami vzniká souvislý polynukleotidový řetězec (pozor, má uracil místo tyminu).  V průběhu transkripce tak vzniká řetězec mRNA, který se uvolní, projde jadernou membránou do cytoplazmy a napojí se na ribozóm.  Transkripce končí v oblasti DNA zvané terminátor.  Molekula mRNA tedy v sobě nese přepis genetické informace mezi promotorem a terminátorem.  Rozsah této informace může být různý. 

 

 

 

 

 

 

Translace je proces syntézy proteinů podle informace obsažené v molekulách mRNA . Uskutečňuje se na ribozómech a její průběh je katalyzován řadou enzymů.  Stavba ribozómu viz níže.  Na ribozóm se mRNA  navazuje zásadně 5´ koncem své molekuly.  Vazba se děje na menší podjednotce ribozómu.  Ribozóm se po navázané mRNA  posunuje ke konci 3´, přičemž volný konec 5´se zatím může napojovat na další a další ribozómy.  Tento komplex postupujících ribozómů na molekule mRNA se nazývá polyribozóm.  Při posouvání se mRNA dostává na každém ribozómu do kontaktu s jeho dvěma vazebními místy. Tato místa odpovídají velikostí dvěma kodónům (trojicím ribonukleotidů v mRNA).  V těchto místech dochází k připojování aminokyselin a k jejich spojování do polypeptidového řetězce.  Označují se jako aminoacylové místo (A site) a peptidylové místo (P site)

Translace se považuje za zahájenou teprve ve chvíli, kdy se pohybující se ribozóm dostane svým P místem na iniciační kodón mRNA  (většinou AUG). To je signálem připojení iniciační tRNA s navázanou iniciační aminokyselinou (formylmetioninem nebo metioninem – záleží na „prokaryocitě“ nebo „eukaryocytě“ organismu).  Samozřejmě zde hrají významnou úlohu nejméně 3 různé iniciační enzymy.

 

Syntéza polypeptidů na ribozómech: Po iniciačním kodónu se pohybem po molekule mRNA  dostane ribozóm do A-místa.  To je signálem pro připojení dalšího komplexu tRNA s odpovídajícím antikodónem.  Na ribozómu jsou vedle sebe tedy dva komplexy aminoacyl-tRNA v takovém vzájemném uspořádání, které umožňuje vznik peptidové vazby mezi karboxylovou skupinou iniciační aminokyseliny a aminoskupinou následující aminokyseliny.  Současně se vznikem peptidové vazby se však ruší vazba iniciační aminokyseliny na iniciační tRNA a tato tRNA se z ribozómu uvolňuje.  Vazebné P-místo je tedy volné a k A-místu je připojen dipeptidový komplex spojených s jednou molekulou tRNA.  Dalším pohybem ribozómu po mRNA se opakuje stejný proces dál.  Všechny aminoacyl-tRNA musí nejdříve projít A-místem, aby se dostaly do P-místa.  Přemísťování komplexů je katalyticky podmíněno činností enzymů zvaných elongační faktory.  Translace se ukončuje ve chvíli, kdy se do A-místa dostane tripletová oblast mRNA , která svým nukleotidovým složením odpovídá jednomu z  terminačních kodónů (UGA, UAA, UAG). Pro tyto kodóny neexistuje žádný odpovídající typ tRNA s komplementárním antikodónem.  Nemožnost napojení další aminokyseliny na již začleněnou je tedy signálem pro uvolnění polypeptidového řetězce z ribozómu.  Opět katalyzováno terminačními faktory (enzymy).

 

                                                                   

obrázky pro lepší pochopení transkripce DNA  

 

                                  

 
 

 

 

                                                                                      

 

 

obrázek pro lepší pochopení translace

 

 

IDENTICKÁ REPLIKACE DNA

Při replikaci vznikají z původní molekuly DNA dvě strukturně naprosto stejné dceřiné molekuly.  Tímto způsobem je zajištěna kontinuita genetických informací v následujících generacích.  Proces identické replikace DNA katalyzuje enzym DNA-polymeráza.  Replikace začíná rozvoněním vodíkových vazeb, takže se v těchto místech mohou na základě komplementarity připojovat deoxyribonukleotidy přítomné v prostředí.  Komplementárně vznikající vlákno se může syntetizovat jenom ve směru 5´- 3´ (z hlediska vznikajícího vlákna).  Vlákno rozvolněné ve směru 3´-5´ se syntetizuje kontinuálně, druhé vlákno (ve směru 5´-3´) se syntetizuje diskontinuálně po tzv. Okazakiho fragmentech. 

 

 

 

 MUTACE

 

I když je stavba DNA relativně stálá, může v jejím uspořádání docházet k nejrůznějším náhodným strukturním změnám.  Tím se mění i genetická informace, která je v DNA uložena, a mění se tedy i fenotypové vlastnosti, jejichž informace je danou změnou postižena.  Tyto náhodné změny genotypu se nazývají mutace. 

Existuje několik druhů mutací:

1/ spontánní mutace

vznikají buď při transkripci nebo při identické replikaci DNA – v zásadě jde o nepřesný přepis matice DNA

jsou podstatou evoluce, ale velmi málo četné ( je asi 10-6 až 10-9 mutací na gen a generaci

2/ indukovaná mutace

změna genetické informace vyvolaná účinkem mutagenů; ty můžou být  dvojí povahy:

fyzikální – např. ionizující záření (rentgen) nebo neionizující záření (ultrafialové záření); větší dávky těchto záření vyvolávají hrubší změny ve struktuře DNA, menší dávky spíše postihují vodíkové vazby

chemické

 

Z hlediska důsledků se rozlišují dva základní  typy mutačních změn v DNA.

1/ posunové mutace

delece (vyjmutí) – zásahem do DNA  se vyloučí pár nukleotidů, triplety se tedy posunou – problém je tedy ten, že od místa delece jsou páry nukleotidů v jiném pořadí (posunutém) – poškození je tím větší, čím dříve delece nastane

inzerce (včlenění) –  (také nazýváno adice) včlenění páru nekonjugovaných nukleotidů do stávající sekvence DNA – od místa inzerce se oba řetězce mění a znovu záleží na tom, kde inzerce nastala – tato mutace může, ale nemusí být slučitelné se životem

2/ záměnová mutace – substituce

záměna dvojice nukleotidů za jinou dvojici – pořadí tripletů se tedy nemění, genetický kód se mění pouze v tomto místě, takže postižení nemusí být neslučitelné se životem (jedná se pouze o změnu 1 aminokyselinového zbytku) – viz také způsob tvorby tripletů (UAA je to samé co UAG, CCU kóduje prolin stejně jako CCC apod.…) vážný význam má pouze taková substituce, která vede ke vzniku terminálního kodónu, syntéza polypeptidového řetězce tak je předčasně ukončena

Tady je jen tabulka s aminokyselinami (resp. triplety bází):

 

 

 

GENOVÉ MUTACE

Genové mutace mají relativně nejmenší fenotypový důsledek.  Označují se tak změny v genetické informaci odpovídající jedinému genu.  Jsou to změny, které postihují strukturu DNA, ale nenarušují celistvost stavby chromozomu.  Lze je tedy postihnout jenom podle změny příslušné fenotypové vlastnosti.  Negativní význam genových mutací vzrůstá především  v souvislosti s tím, že mohou zasáhnout např.  i některé geny s regulační funkcí.  Mutace genů, které regulují dělení buňky a její diferenciaci, bývají jednou z příčin nádorových onemocnění. 

 

CHROMOZÓMOVÉ  MUTACE

Podstatně větší rozsah fenotypových změn je podmiňován chromozómovými mutacemi.  Tyto mutační změny vedou ke zlomům a přestavbám  struktury chromozómů.  Dochází ke ztrátám nebo k přemístění větších bloků genetických informací.  Lze je pozorovat mikroskopem.

 

GENOMOVÉ MUTACE

Jsou to změny v počtu chromozómů.  Může chybět jeden chromozóm (pak se jedná o monosomii), nebo naopak jeden přebývat (místo páru jsou tam tři – jedná se o trisomii).  Nejčastější trisomií je Downův syndrom.  Rozsáhlejší ztráty většího počtu chromozomů jsou obvykle neslučitelné se životem. 

 

Mutační změny genotypu mají prvořadý evoluční význam.  U nepohlavně se rozmnožujících organismů jsou dokonce hlavním zdrojem jejich genotypového evolučního rozrůznění.  Existuje však stálé riziko, které vyplývá ze znečištění přírody chemickými mutageny a s ním spojeného nebezpečí zvýšené pravděpodobnosti vzniku škodlivých mutací.

 

Několik genetických nemocí projevujících se u člověka

 

Cystická fibróza – relativně velmi častá nemoc zaviněná defektním recesivním genem na sedmém chromozomu, má vliv na funkci exokrinních žláz; je charakteristická nadměrnou sekrecí hlenů, která způsobuje blokování trávicího traktu, cirhózu jater, zápal plic a jiné infekce… dítě s touto nemocí tedy trpí dýchacími a trávicími potížemi; nutná je speciální dieta, každodenní požívání antibiotik, aby se předešlo infekci, a enzymů, aby se pomohlo trávení; také je nutná terapie, která napomáhá zachovávání čistých plic.

Huntingtonova nemoc – relativně zřídkavá nemoc, kterou zapříčiňuje dominantní alela na chromozomu 4 – ta zůstává v latentním stádiu až asi do 35 až 39 let, pak se „probouzí“; charakteristické jsou nekontrolovatelné pohyby a řeč, ztráta paměti, schopnosti úsudku, eventuálně i schopnosti mluvit a polykat; neexistuje žádný způsob vyléčení – spíše jen psychická pomoc – někdy je nutné pacienta hospitalizovat  na psychiatrii

Tay-Sachsova nemoc – nemoc vyskytující se u Aškenázských Židů – příčinou je recesivní alela na patnáctém chromozomu, která způsobuje nedostatečnost enzymu na katabolismus gangliosidu (lipid); tento tuk se potom v dětských letech ukládá v mozku a brání funkci mozkových buněk – způsobuje tak dítěti záchvaty, slepotu, degeneraci mentálních a motorických schopností, smrt přichází okolo třetího roku života – neexistuje kúra

Turnerův syndrom – kompletní nebo částečná absence jednoho nebo dvou X-ových chromozomů u žen – sexuální orgány se tedy nevytvoří dokonale, hlavně pak sekundární pohlavní znaky se neprojeví – ženy s tímto syndromem jsou menšího vzrůstu, mají problémy s malformací ledvin a srdce a nejsou schopné mít děti; pomoc je možná podáváním estrogenu a růstových hormonů

Klinefelterův syndrom – presence chromozomálního vybavení XXY u mužů – překáží normálnímu vývoji mužských charakteristik u muže – charakteristická jsou tedy zvětšená prsa, malé ochlupení obličeje, malé pohlavní orgány, sterilita, málo vyvinuté svaly; pravidelná injekce testosteronu může v mnohém pomoci

Hemofilie – defektivní recesivní alela na X-ovém chromozomu, která způsobuje nedostatečnost nebo absenci proteinu potřebného ke srážení krve – neschopnost především srážet krev a neustálé riziko vykrvácení i z malých ran – lidé s touto nemocí si musí dávat velký pozor na zranění a často musí např. doma vlastnit extráty plasmy a koncentráty čerstvé krve v případě akutního nebezpečí…

Svalová dystrofie – způsobená presencí defektivního genu na X-ovém chromozomu, který pomáhá syntéze esenciálního svalového proteinu… charakteristická především slabostí, těžkostí chodit, zvedat se a chodit do schodů, dále pak problémy se srdcem a s dýcháním; není žádný uspokojivý lék – ale pacient by se měl vyvarovat obezitě, často musí používat pacemaker atd.

Downův syndrom – nejčastější těžká genetická vada způsobená zděděním části nebo celé kopie chromozomu 21 – z toho důvodu se některé proteiny syntetizují v nadměrném množství – výrazný zevnějšek – malá lebka, víc váčků pod očima, velký jazyk; dále potom mentální retardace, problémy se srdcem, náchylnost k infekcím dýchacího traktu, sterilita - není možno nijak léčit – pomáhá však vytvoření příjemného a stabilního prostředí a speciální vzdělání.