DNA (deoxyribonukleová kyselina) je jednou z nejdůležitějších složek živé hmoty. Jeho prostřednictvím se uskutečňuje uchovávání a přenos dědičné informace z generace na generaci s možností variability v určitých mezích. Syntéza všech proteinů nezbytných pro živý systém by byla nemožná bez matrice DNA. Níže se budeme zabývat strukturou, tvorbou, základním fungováním a úlohou DNA v biosyntéze proteinů.
Struktura molekuly DNA
Deoxyribonukleová kyselina je makromolekula skládající se ze dvou vláken. Jeho struktura má několik úrovní organizace.
Primární struktura řetězce DNA je sekvence nukleotidů, z nichž každý obsahuje jednu ze čtyř dusíkatých bází: adenin, guanin, cytosin nebo thymin. Řetězce vznikají, když se deoxyribózový cukr jednoho nukleotidu spojí s fosfátovým zbytkem jiného. Tento proces se provádí za účasti proteinového katalyzátoru - DNA ligázy
- Sekundární strukturou DNA je tzv. dvojitá šroubovice (přesněji řečeno dvojitý šroub). Pozemky jsou schopnése navzájem spojují následovně: adenin a thymin tvoří dvojnou vodíkovou vazbu a guanin a cytosin trojnou. Tato vlastnost je základem principu komplementarity bází, podle kterého jsou řetězce vzájemně spojeny. V tomto případě dochází ke šroubovitému (častěji pravému) kroucení dvojitého řetězu.
- Terciární struktura je složitá konformace obrovské molekuly, ke které dochází prostřednictvím dalších vodíkových vazeb.
- Kvartérní struktura se tvoří v kombinaci se specifickými proteiny a RNA a je to způsob, jakým je DNA zabalena v buněčném jádře.
Funkce DNA
Uvažujme o roli DNA v živých systémech. Tento biopolymer je matrice obsahující záznam struktury různých proteinů, RNA potřebné pro tělo a také různé druhy regulačních míst. Obecně platí, že všechny tyto složky tvoří genetický program těla.
Prostřednictvím biosyntézy DNA je genetický program předán dalším generacím, což zajišťuje dědičnost informací nezbytných pro život. DNA je schopna mutovat, díky čemuž vzniká variabilita živých organismů jednoho biologického druhu a v důsledku toho je možný proces přirozeného výběru a evoluce živých systémů.
Během pohlavního rozmnožování se DNA potomka organismu tvoří spojením otcovské a mateřské dědičné informace. Při kombinaci dochází k různým variacím, což také přispívá k variabilitě.
Jak se reprodukuje genetický program
Díky komplementární struktuře je možná samoreprodukce molekuly DNA matricí. V tomto případě se zkopírují informace v něm obsažené. Duplikace molekuly za vzniku dvou dceřiných „dvojitých šroubovic“se nazývá replikace DNA. Jedná se o složitý proces, který zahrnuje mnoho komponent. Ale s určitým zjednodušením to může být znázorněno jako diagram.
Replikace je zahájena speciálním komplexem enzymů v určitých oblastech DNA. Současně se dvojitý řetězec odvíjí a tvoří replikační vidličku, kde probíhá proces biosyntézy DNA - nahromadění komplementárních nukleotidových sekvencí na každém z řetězců.
Funkce replikačního komplexu
Replikace probíhá také za účasti komplexního souboru enzymů - replizomů, ve kterých hraje hlavní roli DNA polymeráza.
Jeden z řetězců v průběhu biosyntézy DNA je vedoucí a neustále se tvoří. Ke vzniku zaostávajícího řetězce dochází připojením krátkých sekvencí – fragmentů Okazaki. Tyto fragmenty jsou ligovány pomocí DNA ligázy. Takový proces se nazývá semi-kontinuální. Kromě toho je charakterizován jako semikonzervativní, protože v každé z nově vytvořených molekul je jeden z řetězců mateřský a druhý je dceřiný.
Replikace DNA je jedním z klíčových kroků buněčného dělení. Tento proces je základem přenosu dědičné informace na novou generaci a také růstu organismu.
Co jsou proteiny
Protein jenejdůležitější funkční prvek v buňkách všech živých organismů. Provádějí katalytické, strukturální, regulační, signalizační, ochranné a mnoho dalších funkcí.
Molekula proteinu je biopolymer tvořený sekvencí aminokyselinových zbytků. Stejně jako molekuly nukleové kyseliny je charakterizována přítomností několika úrovní strukturní organizace – od primární po kvartérní.
Existuje 20 odlišných (kanonických) aminokyselin používaných živými systémy k vytvoření obrovského množství proteinů. Protein se zpravidla sám o sobě nesyntetizuje. Vedoucí roli při tvorbě komplexní molekuly proteinu mají nukleové kyseliny - DNA a RNA.
Podstata genetického kódu
DNA je tedy informační matrice, která uchovává informace o proteinech nezbytných pro růst a život těla. Proteiny se skládají z aminokyselin, DNA (a RNA) z nukleotidů. Určité nukleotidové sekvence molekuly DNA odpovídají určitým aminokyselinovým sekvencím určitých proteinů.
V buňce je 20 typů proteinových strukturních jednotek – kanonických aminokyselin – a 4 typy nukleotidů v DNA. Každá aminokyselina je tedy na matrici DNA zapsána jako kombinace tří nukleotidů – tripletu, jehož klíčovými složkami jsou dusíkaté báze. Tento princip korespondence se nazývá genetický kód a triplety bází se nazývají kodony. Gen jesekvence kodonů obsahující záznam proteinu a některé servisní kombinace bází - start kodon, stop kodon a další.
Některé vlastnosti genetického kódu
Genetický kód je téměř univerzální – až na několik výjimek je stejný ve všech organismech, od bakterií po lidi. To svědčí za prvé o příbuznosti všech forem života na Zemi a za druhé o starobylosti samotného kódu. Pravděpodobně se v raných fázích existence primitivního života vytvořily různé verze kódu poměrně rychle, ale pouze jedna získala evoluční výhodu.
Kromě toho je to specifické (jednoznačné): různé aminokyseliny nejsou kódovány stejným tripletem. Také genetický kód je charakterizován degenerací nebo redundancí – několik kodonů může odpovídat stejné aminokyselině.
Genetický záznam se čte nepřetržitě; funkce interpunkčních znamének plní i trojice základů. Zpravidla neexistují žádné překrývající se záznamy v genetickém "textu", ale i zde existují výjimky.
Funkční jednotky DNA
Úhrn veškerého genetického materiálu organismu se nazývá genom. DNA je tedy nositelem genomu. Složení genomu zahrnuje nejen strukturní geny kódující určité proteiny. Významná část DNA obsahuje oblasti s různými funkčními účely.
Takže DNA obsahuje:
- regulačnísekvence kódující specifické RNA, jako jsou genetické přepínače a regulátory exprese strukturních genů;
- prvky, které regulují proces transkripce - počáteční fáze biosyntézy bílkovin;
- pseudogeny jsou jakési „fosilní geny“, které ztratily svou schopnost kódovat protein nebo být přepisovány v důsledku mutací;
- mobilní genetické elementy – oblasti, které se mohou pohybovat v rámci genomu, jako jsou transpozony („skákací geny“);
- telomery jsou speciální oblasti na koncích chromozomů, díky nimž je DNA v chromozomech chráněna před zkrácením při každé replikační události.
Zapojení DNA do biosyntézy proteinů
DNA je schopna vytvořit stabilní strukturu, jejímž klíčovým prvkem je komplementární sloučenina dusíkatých bází. Dvojvlákno DNA zajišťuje za prvé kompletní reprodukci molekuly a za druhé čtení jednotlivých úseků DNA při syntéze bílkovin. Tento proces se nazývá transkripce.
Při transkripci je úsek DNA obsahující určitý gen rozpleten a na jednom z řetězců – templátovém – se syntetizuje molekula RNA jako kopie druhého řetězce, který se nazývá kódující. Tato syntéza je také založena na vlastnosti bází tvořit komplementární páry. Syntézy se účastní nekódující obslužné oblasti DNA a enzym RNA polymeráza. RNA již slouží jako templát pro syntézu proteinů a DNA se dalšího procesu neúčastní.
Reverzní transkripce
Po dlouhou dobu se věřilo, že matrixkopírování genetické informace může jít pouze jedním směrem: DNA → RNA → protein. Toto schéma bylo nazýváno ústředním dogmatem molekulární biologie. V průběhu výzkumu však bylo zjištěno, že v některých případech je možné zkopírovat z RNA do DNA - tzv. reverzní transkripce.
Schopnost přenášet genetický materiál z RNA do DNA je charakteristická pro retroviry. Typickým představitelem takových virů obsahujících RNA je virus lidské imunodeficience. K integraci virového genomu do DNA infikované buňky dochází za účasti speciálního enzymu – reverzní transkriptázy (revertázy), která působí jako katalyzátor biosyntézy DNA na templátu RNA. Revertáza je také součástí virové částice. Nově vytvořená molekula je integrována do buněčné DNA, kde slouží k produkci nových virových částic.
Co je lidská DNA
Lidská DNA, obsažená v buněčném jádře, je zabalena do 23 párů chromozomů a obsahuje asi 3,1 miliardy párových nukleotidů. Kromě jaderné DNA obsahují lidské buňky, stejně jako jiné eukaryotické organismy, mitochondriální DNA, faktor dědičnosti mitochondriálních buněčných organel.
Kódující geny jaderné DNA (je jich od 20 do 25 tisíc) tvoří jen malou část lidského genomu – přibližně 1,5 %. Zbytek DNA byl dříve nazýván „junk“, ale četné studie odhalují významnou roli nekódujících oblastí genomu, o kterých jsme hovořili výše. Je také nesmírně důležité procesy studovatreverzní transkripce v lidské DNA.
Věda si již vytvořila poměrně jasnou představu o tom, co je lidská DNA po strukturální a funkční stránce, ale další práce vědců v této oblasti přinese nové objevy a nové biomedicínské technologie.
