struktura a funkce buněčného jádra
DESCRIPTION
Mgr. Andrea Benedíková MUDr. Josef Srovnal. Struktura a funkce buněčného jádra. Laborato ř experimentální medicíny DK LF UP a FN Olomouc. Cíle semináře. Seznámit posluchače se strukturou buněčného jádra a chromozómů Popsat hlavní funkci buněčného jádra – replikace, transkripce - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Struktura a funkce buněčného jádraStruktura a funkce buněčného jádra
Mgr. Andrea BenedíkováMgr. Andrea Benedíková
MUDr. Josef SrovnalMUDr. Josef Srovnal
LaboratoLaboratořř experimentální medicíny experimentální medicíny DK DK LF UP a FN Olomouc LF UP a FN Olomouc
Cíle seminářeCíle semináře
• Seznámit posluchače se strukturou Seznámit posluchače se strukturou buněčného jádra a chromozómůbuněčného jádra a chromozómů
• Popsat hlavní funkci buněčného jádra – Popsat hlavní funkci buněčného jádra – replikace, transkripcereplikace, transkripce
• Poukázat na možnosti léčebného ovlivnění Poukázat na možnosti léčebného ovlivnění procesů na úrovni buněčného jádraprocesů na úrovni buněčného jádra
Prokaryota vs. EukaryotaProkaryota vs. Eukaryota
• Přítomnost x nepřítomnost jádra = základ pro třídění všech živých organismů
• eu = opravdu, karyon = jádro• pro = před
Buněčné jádroBuněčné jádro
Jádro lidské buňky:
• 5-8 μm v průměru
• 10% objemu buňky
• DNA 3x109 bp (haploid) (1 milion stran textu)
• celková délka DNA 2 m
• 2 x 23 chromosomů (od matky a otce)
• 23 tisíc genů
Struktura jádra
• jaderný obal • jaderné membrány• jaderné póry
• filamenta• jaderná matrix• chromatin• jadérko
Jaderný obal
Prokaryota vs. eukaryota
Proč obal?
• Ochrana DNA při aktivitě cytoskeletu
Jaderné póry
• složeny z složeny z proteinových proteinových podjednotekpodjednotek
• kanály naplněné kanály naplněné vodou – malé molekuly vodou – malé molekuly rozpustné ve voděrozpustné ve vodě
• větší molekuly – tzv. větší molekuly – tzv. jaderný lokalizační jaderný lokalizační signálsignál
Intermediární filamenta
• Nukleoskelet - komplexní struktura analogická cytoskeletu složená z jaderná laminy a několika typů filament nutných pro průběh replikace DNA, vazbu chromatinu a integritu jádra
• pevnost v tahu
• fce = vydržet mechanický stres
Jaderná matrix
• Eukaryontní chromosom – chromatin = komplex DNA + proteinůBakteriální chromosom – cirkulární molekula DNA
• Heterochromatin - trvale v kondenzovaném stavu• Euchromatin - v interfázi dekondenzován, v mitóze
kondenzován
Jadérko = nucleolus
• chromozomy s geny pro rRNA
• transkripce genů pro rRNA a tvorba ribozomálních podjednotek
Eukaryontní DNA je uspořádána do chromozomů.
Chromozom - dlouhá lineární DNA sbalená pomocí proteinů do složitějších struktur umožňujících snadné rozbalení a sbalení, čili úžasnou archivaci a zároveň rychlé čtení (milion stran textu v každé buňce).Struktura chromozomu se mění během buněčného cyklu (M-fáze – kondenzovaný, neaktivní, interfáze – dekondenzován, aktivní, transkripce).
Chromozomy
Chromozomy
• 2 kopie každého chromozomu = homologní chromozomy
• jediný nehomologní pár – pohlavní chromozomy samců (XY)
Struktura genu na chromozomu
• Regulační sekvence – vazba proteinů ovlivňujících transkripci
• Eukaryontní geny jsou přerušovány nekódujícími sekvencemi = introny
• Kódující sekvence = exony
• Intronové sekvence jsou z primárního RNA transkriptu vystřiženy (setřih RNA = RNA splicing). Vzniká molekula mRNA.
Struktura nukleozomu
• Nukleozom tvořen jádrem z osmi histonových molekul
obtočených DNA
• Nukleozomy spojeny spojníkovou DNA
• Každý nukleozom = 200 nukleotidových párů DNA
• Kolem jádra nukleozomu 2 neúplné otočky DNA =
146 nukleotidových párů
NukleozomNukleozom = základní jednotka kondenzace chromatinu = základní jednotka kondenzace chromatinu
Histony
• Malé proteiny s vysokým obsahem kladně nabitých aminokyselin – vazba na negativně nabitou cukr-fosfátovou kostru DNA
• V jádře nukleozomu po dvou molekulách typy H2A, H2B, H3 a H4
• Histonů je v buňce značné množství (kolem 60 milionů molekul od každého typu v jedné buňce) a jejich celková hmotnost je přibližně stejná jako DNA samotné
Nukleozomy
• Nukleozom = nukleozomové jádro + sousední spojovací úsek DNA
• omotání DNA kolem nukleozomu – zkrácení molekuly DNA přibližně o 1/3 její původní délky
Chromatin – Chromatin –
30 nm silné vlákno 30 nm silné vlákno
Dekondezace –Dekondezace –
nukleozomy nukleozomy („korálky na niti“)(„korálky na niti“)
Kondenzace do 30-nm vlákna - histon H1
• Globulární jádro histonu H1 drží sousední nukleozomy u sebe v pravidelně se opakujícím uspořádání
Úrovně kondenzace chromatinu
• Předpokládané stupně kondenzace DNA vedoucí až ke struktuře vysoce kondenzovaných mitotických chromozomů
Funkce buněčného jádra
• replikace DNA
• transkripce
• processing, splicing RNA
• tvorba a transport ribosomálních podjednotek
• transport mRNA do cytosolu
Replikace
• Replikace – v S-fázi buněčného cyklu (synthesis)
• Zdvojení nejenom DNA, ale i histonů a jaderných proteinů
• Na konci S-fáze (8hodin) – dvě kopie chromozomu spojené centromerou
• laboratorní využití – metoda PCR
Replikace
• Vlákna DNA komplementární – obě slouží jako templát
• Replikace – vznik dvou nových dvojšroubovic DNA, které jsou věrnými kopiemi mateřské molekuly
Specializované sekvence DNA zajišťující účinnou replikaci chromozomů
• Každý chromozom má mnoho počátků replikace, jednu centromeru a dvě telomery
Replikační počátky
• DNA za normálních podmínek velmi stabilní – vodíkové můstky
• narušení – teplota okolo 100 °C• v buňce - iniciační proteiny
• speciální nukleotidové sekvence - rozpoznávány iniciačními proteiny a snadné oddělení řetězců (enzym DNA-helikáza)
• po navázání iniciačních proteinů na DNA a otevření dvojšroubovice se na replikační počátek váží proteiny spolupracující na syntéze nového vlákna
Replikační vidličky
• začátky replikace mají typický tvar Y – replikační vidličky
- navázány proteiny replikačního aparátu – pohyb ve směru replikace, rozvíjení dvojšroubovice za současné syntézy nového řetězce
DNA-polymeráza
• nejdůležitější enzym replikačního aparátu
• připojena k DNA pomocí speciálního proteinu, během replikace zůstává navázána na DNA a pohybuje se podél ní
• polymerační aktivita (5´-3´) - katalyzuje připojování nukleotidů na 3´-konec rostoucího řetězce DNA
• nukleázová aktivita (3´-5´) – štěpení nukleových kyselin při opravě špatně navázaného nukleotidu (korektura) (1 chyba na 107 navázaných nukleotidů)
Okazakiho fragmenty
• syntéza DNA pouze ve směru 5´-3´
• vedoucí a opožďující se řetězec
• Ve směru 3´-5´ prodlužována DNA diskontinuálně po krátkých úsecích = Okazakiho fragmenty
RNA jako primer pro syntézu DNA
• DNA-polymeráza schopna vázat nukleotid pouze na předchozí komplementární nukleotid (viz. korektura)
• Nutno enzym schopný spojit dva volné nukleotidy a začít syntetizovat nové vlákno podle jednořetězcové DNA
• Primáza – syntéza RNA = primer pro syntézu DNA – poskytne 3´-konec pro DNA-polymerázu
• RNA-primery nakonec odstraněny nukleázou a nahrazeny DNA pomocí DNA-polymerázy, úseky nakonec spojeny DNA-ligázou
Přehled enzymů účastnících se replikace
• DNA-helikáza – oddělování mateřských řetězců DNA
• Primáza – syntéza RNA jako primeru pro syntézu DNA
• DNA-polymeráza – syntéza DNA řetězce
• Nukleáza - štěpí primerovou RNA
• DNA-ligáza – spojení úseků DNA do jednoho řetězce
SSB-proteiny (Single-strand binding proteins)
• součást replikačního aparátu - proteiny vázající se na jednořetězcovou DNA a chránící ji (po rozpletení helikázou) před znovuspárováním
Svírací protein (Sliding clamp)
• Součást replikačního aparátu – pevně váže DNA-polymerázu na templát, na opožďujícím se řetězci ji navíc uvolňuje po dokončení syntézy každého Okazakiho fragmentu
Replikace
Transkripce
= přepis krátkého úseku DNA do RNA – vzniká RNA komplementární k jednomu řetězci DNA
• v některých krocích podobná replikaci
• další krok = translace (překlad) RNA – syntéza proteinů – probíhá na ribozomech
Transkripce
• Začíná jako replikace rozvolněním dvojšroubovice DNA - 1 z řetězců slouží jako templát
• Oproti nově vznikající DNA však nezůstává RNA spojena s templátovou DNA – po přidání nukleotidu dochází k obnovení dvojšroubovicové struktury DNA a vytěsnění vlákna RNA
RNA-polymeráza
• přepis DNA do RNA
• opět 5´-3´ polymerační aktivita
• nemá 3´-5´ nukleázovou aktivitu – neschopna oprav – transkripce méně přesná než replikace (1 chyba na 104 přepsaných nukleotidů) – RNA není určena jako DNA k trvalému uchování genetické informace
Posttranskripční úpravy (RNA processing)
• Bakterie – DNA volně v cytoplazmě, zde i ribozomy• Eukaryontní DNA – v jádře, transkripce probíhá v jádře –
RNA poté transportována z jádra do cytoplazmy jadernými póry
• před opuštěním jádra - posttranskripční úpravy primárního transkriptu– přidání čepičky– polyadenylace
- vystřiženy introny = sestřih RNA (RNA splicing)
Léčiva směřující do buněčného jádra
• Inhibice biosyntézy NK – analoga
• Poškození struktury a funkce NK – alkylace, interkalace, inhibice topoizomeráz
• Alterace mikrotubulárních proteinů
Léčiva ovlivňující dělení buněk:
Cytostatika, imunosupresiva, antivirotika
Inhibice biosyntézy NK - analoga
Analoga: aktivována a inkorporována do NK – zástava replikace, transkripce, nesprávný kód
Indikace: nejčastěji hematologické malignity
Dělíme na:
• Analoga kyseliny listové
• Purinová analoga
• Pyrimidinová analoga
Poškození struktury a funkce NK
Účinek: poškození struktury a funkce NK má za následek inhibici replikace a transkripce.
Indikace: nejčastější cytostatika, solidní tumory
Dělíme dle mechanismu poškození NK na: • alkylace – kovalentní vazba• interkalace – nekovalentní vazba• inhibice topoizomeráz (topoizomerázy jsou nukleární enzymy
důležité pro replikaci – riziko překroucení dvojšroubovice a vznik zlomů)
Alterace mikrotubulárního proteinu
Mitotické jedy – alterace mikrotubulů poškodí funkci dělícího vřeténka – omezená migrace chromosomů při mitóze. Většina omezuje syntézu tubulinu.
Polymerizace – v rovnováze s - depolymerizaci
• Inhibitory polymerizace – inhibice syntézy
• Inhibitory depolymerizace – inhibice rozpadu
Úvod do mÚvod do moleolekulární biologiekulární biologieStanislav Rosypal, 4. vydání, 2006Stanislav Rosypal, 4. vydání, 2006
Molecular Biology of the CellMolecular Biology of the Cell, , Fourth EditionFourth Edition Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter 28/02/2002 28/02/2002 1616 pages 1616 pages
Přednáška volně ke stažení na: Přednáška volně ke stažení na: www.lem.ocol.czwww.lem.ocol.cz
Děkuji za pozornost
Mgr. Andrea Benedíková
Laboratoř experimentální medicíny DK FN a LF UP Olomouc
Tel: +420 585 853 225
Email: [email protected]
www.lem.ocol.cz