2010 01 (ivadas ir biologija)

BioinformatikaBioinformatika

Bioinformatika.Bioinformatika.Kas tai?Kas tai?

Objektas – biologija, gyvieji organizmaiObjektas – biologija, gyvieji organizmai Metodai – statistika, algoritmai, programinė Metodai – statistika, algoritmai, programinė

įranga, kompiuteriaiįranga, kompiuteriai

Bioinformatika – tai statistikos ir Bioinformatika – tai statistikos ir informatikos taikymas analizuojant informatikos taikymas analizuojant biologinius duomenisbiologinius duomenis

Bioinformatikos naudojimasBioinformatikos naudojimas

Biologiniams ir medicininiams tyrimams Biologiniams ir medicininiams tyrimams išleidžiama LABAI daug pinigų:išleidžiama LABAI daug pinigų:

NIH biudžetas – 31 mlrd $, NSF – 7 mlrd $NIH biudžetas – 31 mlrd $, NSF – 7 mlrd $ Pfizer R&D biudžetas ~10 mlrd $Pfizer R&D biudžetas ~10 mlrd $

TaikymasTaikymas

Bioinformatika leidžia sutaupyti daug lėšųBioinformatika leidžia sutaupyti daug lėšų Suteikia galimybę analizuoti milžiniškus Suteikia galimybę analizuoti milžiniškus

kiekius duomenųkiekius duomenų Atsiranda galimybės iš esmės kitaip atlikti Atsiranda galimybės iš esmės kitaip atlikti

tyrimus:tyrimus: Eksperimento planavimasEksperimento planavimas Pagalbinis įrankis prie prietaisųPagalbinis įrankis prie prietaisų

Bioinformatikos sritysBioinformatikos sritys

Sekų analizėSekų analizė Genomų anotacijaGenomų anotacija Evoliucinė biologijaEvoliucinė biologija Genų raiškos analizėGenų raiškos analizė Reguliavimo analizėReguliavimo analizė

Bioinformatikos sritysBioinformatikos sritys

Palyginamoji genomikaPalyginamoji genomika Baltymų struktūros prognozėBaltymų struktūros prognozė Biologinių sistemų modeliavimasBiologinių sistemų modeliavimas Baltymų sąveikų modeliavimasBaltymų sąveikų modeliavimas Vėžinių ląstelių genetinių pakitimų analizėVėžinių ląstelių genetinių pakitimų analizė

GyvybėGyvybė

Kas yra gyvybė?Kas yra gyvybė?

Kas bendra Kas bendra visoms gyvybės visoms gyvybės rūšims?rūšims?

Gyvųjų organizmų klasifikacija Gyvųjų organizmų klasifikacija (2004)(2004)

Bakterijos (Bacteria)Bakterijos (Bacteria) Pirmuonys (Protozoa)Pirmuonys (Protozoa) Chromistai (Chromista)Chromistai (Chromista) Grybai (Fungi)Grybai (Fungi) Augalai (Plantae)Augalai (Plantae) Gyvūnai (Animalia)Gyvūnai (Animalia)

Gyvųjų organizmų klasifikacija Gyvųjų organizmų klasifikacija (1990)(1990)

BakterijosBakterijos ArchėjosArchėjos EukariotaiEukariotai

Gyvųjų organizmų klasifikacija Gyvųjų organizmų klasifikacija (1977)(1977)

Yra 6 pagrindinės karalystės:Yra 6 pagrindinės karalystės: AugalaiAugalai GyvūnaiGyvūnai GrybaiGrybai ArcheobakterijosArcheobakterijos PirmuonysPirmuonys EubakterijosEubakterijos

Klasifikacija dar kitaipKlasifikacija dar kitaip

VienaląsčiaiVienaląsčiai DaugialąsčiaiDaugialąsčiai

EukariotaiEukariotai ProkariotaiProkariotai ArcheobakterijosArcheobakterijos Augalai???Augalai???

Organizmų sandaraOrganizmų sandara

Sudėtingi, Sudėtingi, išsivystę išsivystę organizmaiorganizmai

AudiniaiAudiniai

LąstelėsLąstelės

Ląstelės sandaraLąstelės sandara

Priklauso nuo Priklauso nuo ląstelės tipo:ląstelės tipo:

AugaloAugalo EukariotinėEukariotinė ProkariotinėProkariotinė

Prokariotų ląstelėsProkariotų ląstelės

Eukariotų ląstelėsEukariotų ląstelės

PalyginimasPalyginimas

http://www.youtube.com/watch?http://www.youtube.com/watch?v=nP9lZG94DO0&p=22D71F6FF83BD30v=nP9lZG94DO0&p=22D71F6FF83BD30C&playnext=1&index=1C&playnext=1&index=1

PagrindinPagrindinės gyvų organizmų ės gyvų organizmų molekulėsmolekulės

VanduoVanduo Baltymai (proteinai)Baltymai (proteinai) Oligosacharidai ir polisacharidaiOligosacharidai ir polisacharidai Lipidai (riebalai)Lipidai (riebalai) NukleorūgštysNukleorūgštys Ir daug visokių kitokių junginių Ir daug visokių kitokių junginių

VanduoVanduo Vanduo yra Vanduo yra

APLINK mus ir APLINK mus ir VIDUJEVIDUJE

Būtinas Būtinas gyvybeigyvybei

Atlieka daug Atlieka daug svarbių svarbių funkcijųfunkcijų

Baltymai (Proteinai)Baltymai (Proteinai)

Atsakingi už daugelį Atsakingi už daugelį organizmo funkcijųorganizmo funkcijų

Sudaryti iš tūkstančių Sudaryti iš tūkstančių atomųatomų

Labai svarbi trimatė Labai svarbi trimatė struktūrastruktūra

Baltymų funkcijosBaltymų funkcijos

Katalizinė funkcijaKatalizinė funkcija Medžiagų pernašosMedžiagų pernašos funkcija funkcija SSttruktruktūūrinė-atraminė funkcijarinė-atraminė funkcija Apsauginė funkcijaApsauginė funkcija Reguliacinė (augimo ir audinių Reguliacinė (augimo ir audinių

diferenciacijos) funkcijadiferenciacijos) funkcija SSusitraukimo funkcijausitraukimo funkcija MMaistaistinė-energetinėinė-energetinė funkcija funkcija

Katalizinė funkcijaKatalizinė funkcija

Dauguma reakcijų Dauguma reakcijų vyksta labai lėtaivyksta labai lėtai

Kai kurie baltymai Kai kurie baltymai pagreitina reakcijaspagreitina reakcijas

Funciją turintys Funciją turintys baltymai vadinami baltymai vadinami fermentais arba fermentais arba enzimaisenzimais

Jų aktyvumas gali Jų aktyvumas gali būti reguliuojamasbūti reguliuojamas

http://www.youtube.com/watch?v=CZD5xsOKres&feature=related

Medžiagų pernašosMedžiagų pernašos funkcija funkcija

Perneša Perneša gyvybiškai gyvybiškai svarbius junginius svarbius junginius į ląstelę ir į ląstelę ir pašalina veiklos pašalina veiklos rezultatusrezultatus

Reguliuoja Reguliuoja medžiagų medžiagų patekimąpatekimą

http://www.youtube.com/watch?v=NewpaNwhttp://www.youtube.com/watch?v=NewpaNwevFk&p=1C7F4873B05641D2&playnext=1&ievFk&p=1C7F4873B05641D2&playnext=1&index=54ndex=54

http://www.youtube.com/watch?v=_bmp2_Thttp://www.youtube.com/watch?v=_bmp2_T0c7k0c7k

Aktyvus ir pasyvus transportasAktyvus ir pasyvus transportas

http://www.youtube.com/watch?v=kfy92hdahttp://www.youtube.com/watch?v=kfy92hdaAH0&feature=feedrecAH0&feature=feedrec

Na K pompaNa K pompa

http://www.youtube.com/watch?v=awz6lIss3http://www.youtube.com/watch?v=awz6lIss3hQ&p=1C7F4873B05641D2&index=56&playhQ&p=1C7F4873B05641D2&index=56&playnext=2next=2

Elektronu transportasElektronu transportas

http://www.youtube.com/watch?http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw&p=652E3616A05E9774&iv=xbJ0nbzt5Kw&p=652E3616A05E9774&index=32&playnext=6ndex=32&playnext=6

Struktūrinė funkcijaStruktūrinė funkcija

Viruso išorinis Viruso išorinis baltymasbaltymas

Sujungia ląstelesSujungia ląsteles Suteikia ląstelei Suteikia ląstelei

reikalingą formąreikalingą formą

Apsauginė funkcijaApsauginė funkcija

Naudojami Naudojami organizmo organizmo imuninėje imuninėje sistemoje.sistemoje.

Antikūnai, Antikūnai, imunoglobulinaiimunoglobulinai

ReguliacinėReguliacinė funkcija funkcija

Ląstelėje Ląstelėje vykstančių vykstančių procesų procesų reguliavimas reguliavimas – kai kurie – kai kurie baltymai baltymai veikia kaip veikia kaip hormonaihormonai

G-proteinG-protein

http://www.youtube.com/watch?v=V_0EcUr_http://www.youtube.com/watch?v=V_0EcUr_txk&p=1C7F4873B05641D2&playnext=1&intxk&p=1C7F4873B05641D2&playnext=1&index=52dex=52

Neuronu signalaiNeuronu signalai

http://www.youtube.com/watch?http://www.youtube.com/watch?v=m79HiApDJ2I&p=1C7F4873B05641D2v=m79HiApDJ2I&p=1C7F4873B05641D2&playnext=1&index=25&playnext=1&index=25

Susitraukimo funcijaSusitraukimo funcija

Leidžia Leidžia paversti paversti cheminę cheminę energiją į energiją į mechaninęmechaninę

http://www.youtube.com/whttp://www.youtube.com/watch?v=WRxsOMenNQM&atch?v=WRxsOMenNQM&feature=PlayList&p=41757feature=PlayList&p=41757C4685F1E51E&index=0&pC4685F1E51E&index=0&playnext=1laynext=1

Maistinė-energetinė funkcijaMaistinė-energetinė funkcija

Baltymai gali būti naudojami atsargų Baltymai gali būti naudojami atsargų “sandėliavimui”“sandėliavimui”

Esant stresinei situacijai (badui) ląstelės Esant stresinei situacijai (badui) ląstelės gali naudoti amino rūgštis vietoje kitų gali naudoti amino rūgštis vietoje kitų energetiškai naudingesnių junginiųenergetiškai naudingesnių junginių

BaltymaiBaltymai

Globuliniai baltymaiGlobuliniai baltymai

Fibriliniai baltymaiFibriliniai baltymai

Fiziologiškai aktingi Fiziologiškai aktingi baltymaibaltymai

Baltymų sudėtisBaltymų sudėtis

Sudaryti iš Sudaryti iš αα--amino rūgščiųamino rūgščių

20 pagrindinių amino 20 pagrindinių amino rūgščiųrūgščių

Trimatė struktūra:Trimatė struktūra: http://www.youtube.cohttp://www.youtube.co

m/watch?v=ha-DNTOom/watch?v=ha-DNTOooXk&feature=relatedoXk&feature=related

Pirminė baltymo struktūra - sekaPirminė baltymo struktūra - seka

Baltymo seka linijinėBaltymo seka linijinė Gali būti susiūta kai Gali būti susiūta kai

kuriose vietosekuriose vietose

http://www.youtube.com/watch?http://www.youtube.com/watch?v=lijQ3a8yUYQ&p=E4D2E392E2F34A4Bv=lijQ3a8yUYQ&p=E4D2E392E2F34A4B&playnext=1&index=14&playnext=1&index=14

Antrinė baltymo struktūraAntrinė baltymo struktūra

Amino rūgštys gali Amino rūgštys gali laisvai suktis apie laisvai suktis apie HN-CR ryšį ir RC-HN-CR ryšį ir RC-CO ryšįCO ryšį

RamachandranRamachandran’o ’o brėžinys parodo brėžinys parodo statistinį kampų statistinį kampų pasiskirstymąpasiskirstymą

Antrinė baltymo struktūraAntrinė baltymo struktūra

Stabiliausios antrinės baltymo struktūros:Stabiliausios antrinės baltymo struktūros: αα spiralės spiralės

• phi = -60phi = -60oo iki -120 iki -120o o ir psi = -60ir psi = -60oo

ββ lakštai lakštai• phi = -120phi = -120o o ir psi = 135ir psi = 135oo

• Gali būti paraleliniai ir antiparaleliniaiGali būti paraleliniai ir antiparaleliniai

αα spiralės spiralės

ββ lakštai lakštai

Tretinė ir ketvirtinė baltymo Tretinė ir ketvirtinė baltymo struktūrosstruktūros

Tretinė baltymo struktūra Tretinė baltymo struktūra priklauso nuo antrinės priklauso nuo antrinės struktūros elementų struktūros elementų tarpusavio išsidėstymotarpusavio išsidėstymo

Labai įtakoja įvairios Labai įtakoja įvairios nekovalentinės sąveikosnekovalentinės sąveikos

““Sulimpant” keliems Sulimpant” keliems fragmentams susidaro fragmentams susidaro ketvirtinė struktūraketvirtinė struktūra

Baltymo struktūrosBaltymo struktūros

NukleorūgštysNukleorūgštys

Atsakingos už Atsakingos už genetinės genetinės informacijos informacijos laikymąlaikymą

Dalyvauja Dalyvauja baltymų sintezėjebaltymų sintezėje

Nukleino rūgščių sudėtisNukleino rūgščių sudėtis

Sudarytos iš nukleozidų sujungtų Sudarytos iš nukleozidų sujungtų per fosfato grupę.per fosfato grupę.

Nukleozidai sudaryti iš sacharido ir Nukleozidai sudaryti iš sacharido ir heterociklinės bazėsheterociklinės bazės

Sacharidai yra dviejų tipų:Sacharidai yra dviejų tipų:

Dezoksiribonukleorūgštys, DNRDezoksiribonukleorūgštys, DNR• Deoksirobozė, Deoksirobozė,

Ribonukleorūgštys, RNRRibonukleorūgštys, RNR• ribozėribozė

NukleozidaiNukleozidai

Jie sudaryti iš Jie sudaryti iš ribozės arba ribozės arba deoksiribozės deoksiribozės ir ir heterociklinės heterociklinės bazėsbazės

Nukleorūgščių struktūraNukleorūgščių struktūra

Nukleozidai yra Nukleozidai yra komplementarūs:komplementarūs:

A ir TA ir T G ir CG ir C

Seka yra linijinėSeka yra linijinė

Nukleorūgščių funkcijosNukleorūgščių funkcijos

Atsakingos už genetinės informacijos perdavimą Atsakingos už genetinės informacijos perdavimą ir įgyvendinimąir įgyvendinimą

DNRDNR Skirta perduoti informacijaiSkirta perduoti informacijai

RNRRNR iRNR (informacinėRNR) skirta “tarpininkauti” iRNR (informacinėRNR) skirta “tarpininkauti”

gaminant baltymusgaminant baltymus rRNR (ribosominėRNR) tarnauja kaip baltymų rRNR (ribosominėRNR) tarnauja kaip baltymų

gamykla-konvejerisgamykla-konvejeris tRNR (transportinėRNR) atneša reikalingas amino tRNR (transportinėRNR) atneša reikalingas amino

rūgštis prie rRNRrūgštis prie rRNR Ribozimai - katalizinę funkciją turinti RNRRibozimai - katalizinę funkciją turinti RNR

DNRDNR

Koduoja genetinę Koduoja genetinę (paveldimąją) informaciją(paveldimąją) informaciją

Seka linijinėSeka linijinė Struktūra spiralinėStruktūra spiralinė Nukleotidai visada eina porojeNukleotidai visada eina poroje Ilgis nurodomas bazių porų Ilgis nurodomas bazių porų

skaičiumi (base pairs, bp)skaičiumi (base pairs, bp)

RNRRNR

• iRNR perneša informaciją iRNR perneša informaciją nuo DNR iki ribosomųnuo DNR iki ribosomų

• tRNR perneša amino rūgštis tRNR perneša amino rūgštis iki ribosomųiki ribosomų

• Ant ribosomų vyksta Ant ribosomų vyksta baltymų sintezėbaltymų sintezė

Struktūrinė įvairovė didelė, Struktūrinė įvairovė didelė, tik tRNR paprastai turi tik tRNR paprastai turi pakankamai fiksuotą pakankamai fiksuotą struktūrąstruktūrą

Genetinės informacijos Genetinės informacijos saugojimas ir kodavimassaugojimas ir kodavimas

Paprastai eukariotinėse Paprastai eukariotinėse ląstelėse genetinė ląstelėse genetinė informacija laikoma informacija laikoma branduolyje, chromosomosebranduolyje, chromosomose

DNR yra stipriai DNR yra stipriai susipakavusi susipakavusi

www.micro.utexas.edu/.../genetics/genetics.html

DNR pakavimasDNR pakavimas

NukleosomaNukleosoma

ChromosomaChromosoma

GenaiGenai

GGenas yra paveldėjimo priemonė, enas yra paveldėjimo priemonė, paveldimosios informacijos nešėjas. paveldimosios informacijos nešėjas. Reprodukcijos metu ši informacija Reprodukcijos metu ši informacija perduodama kitoms kartoms perduodama kitoms kartoms

Genai turi savo vietą(lokusą) Genai turi savo vietą(lokusą) chromosomosechromosomose

Genai gali būti vadinami tiek pagal Genai gali būti vadinami tiek pagal koduojamą baltymą, tiek pagal tam tikrą koduojamą baltymą, tiek pagal tam tikrą požymį, susijusį su geno veiklapožymį, susijusį su geno veikla

GenaiGenai

Žmogus turi apie 20000-30000 genųŽmogus turi apie 20000-30000 genų Genai sudaro tik 1,5Genai sudaro tik 1,5%% viso genomo viso genomo

Prokariotinėse ląstelėse genai sudaro apie Prokariotinėse ląstelėse genai sudaro apie 9090%% genomo genomo

Minimalus genomas turi apie 300-500 Minimalus genomas turi apie 300-500 genųgenų

Geno sandara prokariotuoseGeno sandara prokariotuose

•Genai yra tankiai supakuoti

•Paprastai genai grupuojami į operonus – vienas paskui kitą einančius genus, kurie koduoja kokiai nors funkcijai reikalingus baltymus

Eukariotinis genomasEukariotinis genomas

PalyginimasPalyginimas

Eukariotuose genai sudaryti iš egzonų ir intronų.Eukariotuose genai sudaryti iš egzonų ir intronų. Egzonai koduoja dalį baltymo sekos, o intronai būna Egzonai koduoja dalį baltymo sekos, o intronai būna

išmetamiišmetami

O kaip susiję nukleorūgštys ir O kaip susiję nukleorūgštys ir baltymaibaltymai

DNR

RNR

Baltymai

Transkripcija

Transliacija

Kodavimas iš DNR į RNRKodavimas iš DNR į RNR

Kodavimas iš DNR į RNR vadinamas Kodavimas iš DNR į RNR vadinamas

TRANSKRIPCIJATRANSKRIPCIJA Eukariotuose šis procesas yra sudėtingesnis Eukariotuose šis procesas yra sudėtingesnis

nei prokariotuosenei prokariotuose

TranskripcijaTranskripcija

Iš pradžių pagaminama komplementari Iš pradžių pagaminama komplementari RNR sekaRNR seka

Tada ji “brandinama”Tada ji “brandinama” IškarpomaIškarpoma

Iškarpymas (angl. Splicing)Iškarpymas (angl. Splicing)

Iškarpymo Iškarpymo metu metu pašalinami pašalinami intronai, o intronai, o paliekami tik paliekami tik egzonaiegzonai

Atsiranda Atsiranda galimybė iš galimybė iš vieno geno vieno geno gaminti gaminti skirtingas iRNRskirtingas iRNR

Genetinės informacijos kodavimasGenetinės informacijos kodavimas

20 skirtingų amino rūgščių20 skirtingų amino rūgščių

4 skirtingi nukleotidai4 skirtingi nukleotidai

Genetinės informacijos kodavimasGenetinės informacijos kodavimas

Viena amino rūgštis koduojama trimis Viena amino rūgštis koduojama trimis nukleotidaisnukleotidais

Kodonų lentelėKodonų lentelė

Skaitymo rėmeliaiSkaitymo rėmeliai5'                                                   3' 5'                                                   3'    atgcccaagctgaatagcgtagaggggttttcatcatttgaggacgatgtataa    atgcccaagctgaatagcgtagaggggttttcatcatttgaggacgatgtataa

  11 atgatg ccc aag ctg aat agc gta gag ggg ttt tca tca ttt gag gac gat gta ccc aag ctg aat agc gta gag ggg ttt tca tca ttt gag gac gat gta taataa     M   P   K   L   N   S   V   E   G   F   S   S   F   E   D   D   V   *      M   P   K   L   N   S   V   E   G   F   S   S   F   E   D   D   V   *    22  tgc cca agc   tgc cca agc tgatga ata gcg ata gcg tagtag agg ggt ttt cat cat ttg agg acg atg tat agg ggt ttt cat cat ttg agg acg atg tat      C   P   S   *   I   A   *   R   G   F   H   H   L   R   T   M   Y       C   P   S   *   I   A   *   R   G   F   H   H   L   R   T   M   Y    33   gcc caa gct gaa    gcc caa gct gaa tagtag cgt aga ggg gtt ttc atc att cgt aga ggg gtt ttc atc att tgatga gga cga tgt ata gga cga tgt ata       A   Q   A   E   *   R   R   G   V   F   I   I   *   G   R   C   I        A   Q   A   E   *   R   R   G   V   F   I   I   *   G   R   C   I 

Skaitymo rėmeliaiSkaitymo rėmeliai

Yra 6 skaitymo rėmeliai:Yra 6 skaitymo rėmeliai:3 viršutinėje gradinėje3 viršutinėje gradinėje

3 apatinėje grandinėje3 apatinėje grandinėje

TransliacijaTransliacija

Tai procesas, kurio metu iš RNR pagaminamas baltymas:Tai procesas, kurio metu iš RNR pagaminamas baltymas:

Iš pradžių iRNR prisikabina prie ribosomosIš pradžių iRNR prisikabina prie ribosomos Tada ribosoma juda ant iRNRTada ribosoma juda ant iRNR tRNR atneša amino rūgštistRNR atneša amino rūgštis Sutikus “Stop” kodoną transliacija sustoja, baltymas paleidžiamasSutikus “Stop” kodoną transliacija sustoja, baltymas paleidžiamas Paleistas baltymas apdrojamas, tinkamai sulankstomasPaleistas baltymas apdrojamas, tinkamai sulankstomas

http://www.johnkyrk.com/DNAtranslation.htmlhttp://www.johnkyrk.com/DNAtranslation.html