DNA

Z Multimediaexpo.cz

DNA je biologická, vláknitá makromolekula, uložená u člověka v chromozómech v jádře většiny buněk

DNA (čili deoxyribonukleová kyselina, zřídka i DNK) je nukleová kyselina, která je nositelkou genetické informace všech organismů s výjimkou některých nebuněčných, u nichž hraje tuto úlohu RNA (např. RNA viry). DNA je tedy pro život nezbytnou látkou, která ve své struktuře kóduje a buňkám zadává jejich program a tím předurčuje vývoj a vlastnosti celého organismu. DNA je biologická makromolekula — polymer, dvoušroubovice tvořená dvěma řetězci tzv. nukleotidů. Nukleotidy jsou vždy složeny z cukru deoxyribózy, fosfátové skupiny a jedné ze čtyř nukleových bází. Informační funkci mají právě báze, jimiž může být adenin (A), guanin (G), cytosin (C) nebo thymin (T). První dvě patří mezi puriny, zbylé mezi tzv. pyrimidiny. V dvoušroubovici DNA se nachází dvě navzájem spletené šroubovice, které každá míří opačným směrem (jsou antiparalelní). Mezi protilehlými bázemi obou vláken se vytváří vodíkové můstky, a to vždy mezi guaninem a cytosinem, nebo mezi adeninem a thyminem. DNA je hlavní složkou tzv. chromatinu, směsi nukleových kyselin a proteinů. U eukaryotických organizmů (jako např. rostliny a živočichové) je DNA uložena zejména uvnitř buněčného jádra, zatímco u prokaryot (např. bakterie) se DNA nachází volně v cytoplazmě.

Obsah

Historie výzkumu

Podrobnější informace naleznete na stránce: dějiny objevu a výzkumu DNA
James D. Watson a Francis Crick (vpravo), podávající si ruce s Maclynem McCartym (vlevo).

Deoxyribonukleová kyselina byla popsána roku 1869, kdy švýcarský lékař Friedrich Miescher zkoumal složení hnisu z nemocničních bandáží. Z jader bílých krvinek přítomných v tomto hnisu získal jisté množství nukleových kyselin, které souhrnně nazýval nuklein.[1] Na počátku 19. století Phoebus Levene rozpoznal, že DNA se skládá z cukrů, fosfátů a bazí.[2] O funkci DNA toho dlouho nebylo moc známo. První důkaz o roli DNA v přenosu genetické informace přinesl v roce 1943 slavný Averyho-MacLeodův-McCartyho experiment, který provedli Oswald Avery společně s Colinem MacLeodem a Maclynem McCartym. Sérií pokusů s transformací pneumokoků zjistili, že DNA je genetickým materiálem buněk.[3] Další důkaz přinesl v roce 1952 Hersheyho-Chaseové experiment. Patrně nejslavnějším milníkem ve výzkumu DNA bylo odhalení jeho trojrozměrné struktury. Správný dvoušroubovicový model poprvé představili v roce 1953 v časopise Nature James D. Watson a Francis Crick, pozdější laureáti Nobelovy ceny.[4] Vycházeli přitom z rentgenové difrakční analýzy, kterou o rok dříve provedli Rosalind Franklin a Raymond Gosling a publikovali ve stejném čísle Nature. Další článek v tomto vydání předložil i Maurice Wilkins.[5] V roce 1987 předložil v té době již slavný Crick sérii pravidel, které se označují jako centrální dogma molekulární biologie a popisují vztahy mezi DNA, RNA a proteiny.[6] Genetický kód rozluštili na počátku 60. let Har Gobind Khorana, Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg.[7]

Stavba

Soubor:DNA-labels.png
Struktura DNA

Stavu DNA je možno zkoumat na několika úrovních. Pořadí nukleotidů v lineárním dvouvlákně je záležitostí tzv. primární struktury. Stáčení vlákna do dvoušroubovice se označuje jako sekundární struktura DNA. Konečně pod tzv. terciální strukturou se rozumí obvykle nadšroubovicové vinutí, které usnadňuje kondenzaci DNA.

Chemické vlastnosti

Jednotlivé nukleotidy se skládají ze tří složek:

Nukleotidy jsou uspořádány do řady za sebou, jejich spojení v řadě zajišťují fosfátové zbytky, které spojují uhlík 3' jedné deoxyribózy s uhlíkem 5' druhé deoxyribózy. Směr vláken se označuje právě podle orientace deoxyribózy v něm, tedy: směr 3´→5´ a opačný směr 5´→3´. Na uhlík 1' deoxyribózy se váží dusíkaté báze (A,G,C,T). Ty se spojují navzájem s odpovídající bází z protějšího řetězce, podle jednoduchého klíče:

  • A ↔ T + T ↔ A (vzájemně jsou spojeny dvěma vodíkovými vazbami)
  • C ↔ G + G ↔ C (vzájemně jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami)
Prohlédněte si animaci otáčejícího se prostorového modelu DNA

Jde o tzv. komplementaritu bází, z ní vychází vzájemná komplementarita obou vláken DNA. Vždy je na určité pozici v molekule jeden nukleotid z dvojice a v protějším vlákně druhý z nich. Takto se uchovává v každém z vláken tatáž informace, pouze s tím rozdílem, že jde o vzájemný „negativ“. Vzájemné spojení nukleotidů není uskutečněno regulérní chemickou vazbou, ale „jen“ vodíkovými můstky. DNA se v organismu uchovává ve formě pravotočivé dvoušroubovice, ve které se nacházejí dva antiparalelní řetězce 5'-3' a 3'-5', (vlákna jdou tedy proti sobě, na jednom konci molekuly se setkává zároveň 3´konec jednoho řetězce a 5´konec druhého a na druhém konci molekuly naopak). Při sobě je drží vodíkové můstky mezi komplementárními dusíkatými bázemi. Tato struktura se narušuje, jen pokud je nutné DNA zreplikovat či použít genetickou informaci v ní ukrytou. Genetická informace se v DNA kóduje pomocí genetického kódu, který přiřazuje k jednotlivým tripletům (trojicím nukleotidů) aminokyseliny. Genetický kód je shodný prakticky u všech organismů (drobné odchylky byly nalezeny u mitochondrií).

Primární struktura

Primární struktura je dána pořadím nukleotidů, jejich sekvencí. Tato struktura sama přímo určuje genetickou informaci. Dá se znázornit lineárně jako řada nukleotidů nebo abstrahovat do řady písmen, které těmto dusíkatým bázím odpovídají. Podle konvence se pořadí nukleotidů zapisuje směrem 5' → 3'. (např. ctcgactctt agcttgtcgg ggacggtaac je prvních 30 z 1621 nukleotidů lidského alfa tubulinu)

Sekundární struktura

Forma stočení dvoušroubovice. Vlákna DNA se přirozeně stáčí do dvoušroubovice, avšak forma stočení není vždy, za všech podmínek stejná. In vitro je většina DNA v B formě, in vivo však za určitých podmínek přirozeně přechází v jinou.

  • ds forma A – Pravotočivá; 10 párů bází na otáčku; průměr vlákna je 2,3 nm
  • ds forma B – Pravotočivá; 11 párů bazí na otáčku; průměr vlákna je 1,9 nm
  • ds forma Z – Levotočivá; 12 párů bazí na otáčku; průměr vlákna je 1,8 nm

Forma stočení má vliv na funkci - reaktivitu molekuly.

Vyšší úrovně struktury

Velmi dlouhá molekula DNA není jen neuspořádaným klubkem náhodně zamotaného vlákna. Celá molekula se velmi pečlivě několikanásobně navíjí a skládá do tzv. nadšroubovicového vinutí (tzv. supercoiling).

  • pozitivní - strukturu DNA utěsňuje
  • negativní - strukturu uvolňuje, může vést až k porušení párování bází.
Struktura chromatinu

Funkce

DNA uchovává ve své struktuře genetickou výbavu celého jedince), nicméně jen určitá část této informace, je v konkrétní buňce realizována (díky procesu buněčné diferenciace). Pro každou konkrétní buňku je však DNA určitou „kuchařkou“, podle níž specificky realizuje svůj program.

Většina genů potřebných pro život se v eukaryotických buňkách nachází v jádře na chromozómech, částečně pak v mitochondriích a u rostlin v chloroplastech (podrobněji viz mimojaderná dědičnost). U prokaryotických organizmů se genetická informace nachází na tzv. prokaryotním chromozómu a v plazmidech. Přepis sekvence DNA do sekvence RNA se nazývá transkripce. Část molekul RNA (mRNA) pak po přesunu z jádra do cytoplazmy slouží jako šablona pro translaci, ta probíhá na ribozomech. Tímto způsobem na základě genetického kódu vznikají nové bílkoviny.

Procesy na úrovni DNA

Replikace

Soubor:DNA replication numbered.png
Replikace DNA; zde u eukaryot, ale situace je podobná i u prokaryot
Podrobnější informace naleznete na stránce: replikace DNA

DNA musí být schopná zdvojení sebe sama, aby se v buňkách mohla přenášet do dalších generací. Toto zdvojování se nazývá semikonzervativní replikace. Jde o enzymaticky řízený proces přesného kopírovaní sekvence DNA na základě výše zmíněné komplementarity nuklových bazí. Z jedné původní molekuly DNA vytvoří dvě molekuly dceřiné, každá s jedním vláknem původním a s jedním vláknem nově dosyntetizovaným - proto semikonzervativní replikace. Při syntéze DNA se obě vlákna původní molekuly začnou od sebe vzdalovat a rozplétat působením enzymu helikázy podobně, jako když se rozepíná zip. Do rozevřené DNA se na obě vlákna připojí enzym RNA polymeráza a vytvoří na každém vlákně krátký úsek RNA (tzv. primer). Na něj se pak napojuje nově vytvořená DNA. Volné nukleotidy se podle principu komplementarity (enzym DNA polymeráza) začnou přikládat k původnímu (matricovému) vláknu DNA (3’→5’), oproti druhému vláknu (5’→3’) syntetizuje DNA polymeráza jen krátké fragmenty (tzv. Okazakiho fragmenty), (DNA polymeráza totiž umí syntetizovat pouze ve směru 5’→3’. Jelikož se však DNA rozplétá postupně jen z jedné strany a k replikaci dochází na obou vláknem zároveň, nezbývá jí, než na 5’→3’ řetězci syntetizovat po krátkých úsecích proti směru rozepínání zipu, říkáme, že replikace probíhá semidiskontinuálně (na jednom vlákně kontinuálně a na druhém diskontinuálně)). Poté je odštěpen primer a Okazakiho fragmenty následně pospojuje enzym DNA ligáza.

Oprava

Podrobnější informace naleznete na stránce: oprava DNA

Při replikaci může dojít k množství chyb ve výsledném genetickém materiálu. Proto mají buňky řadu metod opravy DNA, jak toto poškození napravit. Takové poškození, které může být způsobenou např. jednou nebo několika mutacemi nebo modifikací bází, by jinak mohlo mít za následek poškození genetické informace buňky.[8] Poruchy opravy DNA mohou mít někdy za následek např. rakovinné bujení.

Transkripce

Podrobnější informace naleznete na stránce: transkripce (DNA)

Transkripce („přepis“) je proces, při němž je podle genetické informace zapsané v řetězci DNA vyráběn řetězec RNA. RNA obvykle představuje prostředníka mezi genetickým materiálem a bílkovinami, jež se podle něho vyrábí. Existují však i některé nekódující RNA, které vznikají z DNA, ale nikdy z nich protein nevzniká. Transkripce je důležitá součást tzv. centrálního dogmatu molekulární biologie. Probíhá u všech známých organizmů včetně virů. U bakterií se odehrává volně v cytoplazmě, u některých vyšších organizmů (tzv. eukaryota) probíhá v buněčném jádře. V centru transkripce stojí enzym RNA polymeráza.

Význam DNA v praxi

Metody výzkumu a práce s DNA

Literatura

Reference

  1. ↑
  2. ↑
  3. ↑
  4. ↑
  5. ↑
  6. ↑ Crick, F.H.C. On degenerate templates and the adaptor hypothesis (PDF). genome.wellcome.ac.uk (Lecture, 1955). Accessed 22 December 2006
  7. ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 Nobelprize.org Accessed 22 December 06
  8. ↑ ROBERT C. KING; WILLIAM D. STANSFIELD; PAMELA K. MULLIGAN. A Dictionary of Genetics, Seventh Edition. [s.l.] : Oxford University Press, 2006.  


Commons nabízí fotografie, obrázky a videa k tématu
DNA


Citováno z „http://ww.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/DNA“