DNA (nukleová kyselina)

DNA je dvouřetězcová nukleová kyselina, která je nositelkou dědičnosti u buněčných organismů. Nacházíme ji v jádře eukaryotických buněk, případně v cytoplasmě prokaryot. Je v ní kódována veškerá informace nutná pro růst a přežití organismu. Struktura dvojšroubovice byla popsána roku 1953 pány Jamesem D. Watsonem a Francisem Crickem, kteří za tento objev dostali roku 1962 Nobelovu cenu.

Struktura

[ ✎ upravit vložený článek ]

Molekula DNA (kyselina deoxyribonukleová) je tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci. Řetězce jsou vůči sobě antiparalelní – jeden řetězec má směr fosfodiesterových vazeb 5' » 3' a druhý 3' » 5' – hovoříme o 3' případně 5' konci. Na 3' konci je navázána -OH skupina, zatímco na 5' fosfátová skupina.

Obecná charakteristika

Prostorová struktura DNA

Struktura je tvořena třemi složkami – cukr, fosfát, báze. Cukernou složku tvoří pěti uhlíkový cukr 2-deoxy-D-ribosa (oproti normální ribóze u DNA v poloze 2' chybí kyslík). Jakožto dusíkaté báze jsou v DNA zastoupeny deriváty purinu (Adenin, Guanin) a deriváty pyrimidinu (Cytosin, Thymin). Mezi N-bázemi protějších vláken dochází k vazebným interakcím.

Zákon komplementarity

Váží se spolu vždy jen 2 specifické N-báze (vždy 1 báze pyrimidinová a 1 purinová), a to sice:

A – T (spojeny 2 vodíkovými můstky);
C – G (spojeny 3 vodíkovými můstky).

Mezi sousedními bázemi navíc působí van der Waalsovy síly (stabilizace).

Platí tedy rovnice:

{\frac {\text{A + C}}{\text{T + G}}}=1

Obě polynukleotidová vlákna (primární struktura DNA) vytvářejí nejčastěji pravotočivou šroubovici označovanou jako double helix (sekundární struktura DNA) → nejčastěji se vyskytující formou je B-forma DNA = pravotočivá. DNA molekuly se mohou vyskytovat ještě v pravotočivé formě A a v levotočivé formě Z. Přechod mezi jednotlivými formami je možný na základě změny fyzikálně chemických podmínek.

Typy DNA

Rozdíl mezi strukturou DNA a RNA

1. Jaderná (chromosomální)

Jádro buňky → chromosom → rozvlákněná DNA

Z funkčního hlediska se jedná o:

DNA, která kóduje pořadí aminokyselin v polypeptidu nebo některé RNA.
DNA, která má funkci kontrolní a řídící.
Zvláštní typy DNA mají specifické funkce v chromosomech, např. v oblasti centromery a telomer.
DNA, o jejíž funkci zatím nic nevíme.

U eukaryot přibližně 60 % DNA tvoří jedinečné (nebo málo se opakující) sekvence – patří sem například geny kódující polypeptidy nebo jim podobné nefunkční pseudogeny. Dalšími zastoupenými jsou repetitivní sekvence.

Dělíme je na:

sekvence středně repetitivní– počet kopií v genomu 10–10⁵ (patří sem např. geny pro rRNA a bílkoviny typu histonů);
sekvence vysoce repetitivní – řádově 10⁶ kopií / genom.

Repetitivní sekvence mohou být v genomu rozptýlené. Dlouhé repetitivní sekvence se označují jako LINE (Long Interspersed Nuclear Elements). Krátké repetitivní sekvence se označují jako SINE (Short Interspersed Nuclear Elements). Většina SINE je odvozována od tRNA genů → jejich vznik je vysvětlován repozicí (přepisem) z RNA reverzní transkriptasou. Pro primáty jsou specifické tzv. Alu-sekvence, kdy téměř každý 4kb úsek lidské DNA obsahuje tuto sekvenci – jejich původem je 7SL DNA.Jinou možností jsou tzv. tandemové repetitivní sekvence, kdy jednotlivá opakování jsou za sebou – např.:geny pro rRNA či tzv. satelitní DNA.

2. Mimochromosomální

Mitochondriální DNA

U člověka se nachází v mitochondriích.Uspořádání genomu mitochondrií je odlišné od jaderného genomu eukaryotické buňky, ovšem je podobné uspořádání genomu u prokaryot. DNA má v mitochondriích cirkulární uspořádání. U člověka má velikost 16,6 kb. V lidském genomu kóduje celkem 37 genů – z toho 24 genů se podílí na proteosyntetickém aparátu mitochondrií – geny 16S a 23S pro rRNA, 22 genů pro tRNA. Zbývající se podílejí na enzymatické výbavě mitochondrií. Většina genů je kódována na H (těžkém) vlákně DNA.Informace je poměrně silně komprimována, neobsahuje introny! Mezi další rozdíly patří, že má 4 triplety s rozdílným významem oproti těm v jadernému genomu, existují také rozdíly v iniciaci a terminaci.

Replikace

[ ✎ upravit vložený článek ]

Replikace DNA je přenos informace z DNA do DNA. Je to tedy schopnost zajišťující dědičnost.

Obecná charakteristika

Při replikaci vzniknou z jedné mateřské molekuly DNA dvě naprosto stejné dceřiné DNA – každá s jedním vláknem z původní DNA, jedná se tedy o semikonzervativní proces, kdy nově vzniklá dvoušroubovice má vždy jedno vlákno původní a druhé vlákno nově syntetizované. Uplatňuje se při rozmnožování, kdy zajišťuje identitu genetické informace obou dceřiných buněk (pro rozmnožování je nezbytné, aby potomek dostal plnohodnotnou genetickou informaci). Rychlost replikace v živočišných buňkách se odhaduje na 0,5–0,15 μm/min, je to opravdu pomalý proces, proto probíhá na více místech současně.

Průběh replikace

Replikace DNA

Místa, kde dochází k replikaci, se nazývají replikony. Počet replikonů v buňce není konstantní, u rychle se množících buněk je jich více než u buněk množících se pomalu. Replikace neprobíhá na všech replikonech současně, obecně v replikonech lokalizovaných v heterochromatinu začíná později. Klíčovou roli při replikaci DNA mají enzymy zvané DNA polymerázy. U člověka se vyskytuje 5 druhů enzymů označovaných jako DNA-dependentní DNA-polymerázy (v živočišných buňkách pět typů).

Pro všechny typy DNA polymeráz platí:

Potřebují matrici = vlákno, ke kterému podle pravidel komplementace bazí vytvářejí doplněk;
při své práci vždy postupují od konce 5' ke konci 3';
potřebují mít k dispozici volný konec 3' nukleotidu, na který připojí fosfodiesterickou vazbou 5' místo nově zařazeného nukleotidu. Nově zařazované nukleotidy jsou používány ve formě nukleotidtrifosfátů, odštěpením dvou makroergních vazeb je získávána potřebná energie pro uskutečnění vazby;
DNA polymeráza nemůže zahájit syntézu de novo, ale připojuje pouze nový nukleotid na 3' pozici nukleotidu předchozího;
aby DNA polymeráza mohla zahájit připojování nukleotidů nového vlákna DNA, musí být vodíkové můstky (tj. nízkoenergetické vazby mezi oběma vlákny) nejprve narušeny enzymem helikázou.

Místa, která po narušení helikázou vzniknou, jsou označovány jako replikační počátky. Replikační počátky jsou tvořeny specifickými sekvencemi nukleotidů, které jsou rozpoznávány iniciačními proteiny(iniciační faktory). Pro snadné oddělování řetězců obsahují tyto sekvence vysoký podíl adeninu a thyminu. U bakterií bychom takovýto počátek našli pouze jeden.

Lidská DNA vytváří replikačních počátků okolo 10 000, to jí také umožňuje zreplikovat se v poměrně krátké době. Primáza (DNA-dependentní RNA-polymeráza) vytváří na začátku replikovaného úseku nového vlákna DNA krátký RNA primer („očko“) – na jeho 3' konec může DNA polymeráza připojit první nukleotid nového vlákna DNA. Vzhledem k tomu, že jsou obě vlákna DNA antiparalelní (konci 5' jednoho vlákna odpovídá konec 3' vlákna druhého) a vzhledem k tomu, že DNA polymeráza syntetizuje „jednosměrně“ (od 5' k 3'), může souvisle probíhat replikace pouze na jednom vlákně.Na tomto vlákně tedy replikace (kterou provádí δ-polymeráza) probíhá rychleji a vlákno se označuje jako vlákno vedoucí.Na druhém (opožděném) vlákně probíhá replikace po částech – tzv. Okazakiho fragmentech ← replikace je zde pomalejší, je prováděna α-polymerázou, která má primázovou aktivitu.

Na procesu replikace se kromě uvedených DNA polymeráz podílí řada enzymů, jejichž úlohou je:

rozvinout suprahelikální strukturu – gyráza;
rozvinout Watson-Crickovu dvoušroubovici – helikázy.
dohlížení na to, aby se při rozmotávání vlákna DNA v replikační vidlici pomocí helikáz neutáhlo zbývající vlákno DNA natolik, že by již nešlo rozmotat - topoizomeráza

Poté, co jsou k předlohovým (templátovým) vláknům dosyntetizována vlákna nová, je replikace DNA dokončena.

DNA polymeráza udělá 1 chybu asi na 10⁷ zreplikovaných bází (teoreticky mohou vznikat i dvojice G – T a A – C, jsou ovšem mnohem méně stabilní). Navíc má DNA polymeráza sama korekční funkci (v případě chyby provádí i opravu, spočívající ve vystřižení a zařazení správné báze), touto metodou jsou pravděpodobně odstraněna i očka RNA a pak enzym ligáza spojí jednotlivé fragmenty do souvislého řetězce.

Transkripce

Transkripce je přepis genetické informace z DNA do molekuly RNA. Jedná se v drtivé většině o přepis informace z jednoho genu, sloužícího k tvorbě jedné specifické bílkoviny, kterou buňka v danou chvíli potřebuje. Vlákno RNA se vytvoří na principu komplementarity k vláknu DNA.

Transkripční faktory

Transkripční faktory (TF) jsou proteiny, které se spolupodílejí na iniciaci transkripce (přepis dědičné informace z genu z DNA na RNA). Jejich prostřednictvím je genová exprese přizpůsobována potřebám buňky či celého organismu (např. hormony, hypoxie mohou stimulovat expresi – transkripci určitých genů).

Podrobnější informace naleznete na stránce Transkripční faktory.

Posttranskripční úpravy

Posttranskripční úpravy nastupují po úspěšném přepisu DNA do RNA.

Podrobnější informace naleznete na stránce Posttranskripční úpravy.

Translace

Translace neboli protesyntéza je překlad nukleotidové sekvence mRNA do sekvence aminokyselin proteinu. Proces probíhá na ribosomech a jednotlivé aminokyseliny jsou zařazovány podle pravidel genetického kódu.

Podrobnější informace naleznete na stránce Translace.

Posttranslační úpravy

Posttranslační úpravy nastupují po úspěšné translaci.

Podrobnější informace naleznete na stránce Posttranslační úpravy.

Odkazy

Související články

Zdroj