DNA (deoxyribonukleová kyselina) je jednou z nejdůležitějších molekul ve vašem těle, a přestože přibližně 99,9 % vaší DNA je stejné jako u každého jiného člověka, 0,1 %, které se liší, vás činí geneticky jedinečnými! Tato drobná biologická struktura je dokonalým návodem k použití, který obsahuje „recepty“ na bílkoviny potřebné pro vývoj a fungování vašeho těla.

Dnes vás seznámíme se základy DNA. Povíme si o její struktuře, o tom, jak se replikuje a jakou roli hraje při výrobě bílkovin.

Struktura DNA:

Věděli jste, že v průměrné lidské buňce se nachází asi 2 m DNA? To je docela působivé, uvážíme-li, že i ty největší buňky mají průměr jen něco málo přes 100 µm. (To je mimochodem opravdu maličké – 1µm je jedna miliontina metru.)

Jak se všechen ten genetický materiál vejde do prostoru mnohem menšího než špendlíková hlavička? Stručnou odpovědí je spousta kroucení a navíjení. DNA se ovíjí kolem shluků bílkovin zvaných histony a vytváří jednotky zvané nukleozomy. Tyto nukleozomy se skládají do klikatého vlákna, které pak tvoří smyčky.

V každé somatické buňce lidského těla je 46 samostatných vláken DNA. Každý z nich se nazývá chromozom. Vědci je seskupují do 23 homologických párů, což znamená, že chromozomy v každém páru mají podobnou strukturu a funkci. Jedinou výjimkou je 23. pár – pohlavní chromozomy – u biologicky mužských jedinců. Pohlavní chromozomy X a Y mají homologní pouze určité oblasti (autozomální oblasti).

Na molekulární úrovni má DNA charakteristický tvar dvojité šroubovice, a přestože jej vědci pozorovali až v polovině 20. století, stal se rychle jedním z nejikoničtějších tvarů v celé vědě.

Obrázek z A&P 6.

Strany tohoto stočeného žebříku jsou složeny ze střídajících se molekul cukru (přesněji deoxyribózy) a fosfátové skupiny. Každá strana je pojmenována podle směru, kterým probíhá (5′-3′ nebo 3′-5′). „Stupně“ žebříku jsou tvořeny dvěma dusíkatými bázemi, které drží pohromadě pomocí vodíkových vazeb.

Obrázek: Madeleine Price Ball (Wikimedia Commons).

Vlákna DNA obsahují čtyři dusíkaté báze – cytozin, tymin, adenin a guanin. Z hlediska chemické struktury jsou cytosin a tymin pyrimidiny a adenin a guanin puriny. Adenin a thymin (A a T) se vždy párují a guanin a cytosin (G a C) se vždy párují. Párují se tak proto, že A a T mezi sebou vytvářejí dvě vodíkové vazby a G a C tři.

Na nejzákladnější úrovni poskytují různé úseky vláken DNA (sekvence dusíkatých bází) instrukce pro syntézu bílkovin. Jeden úsek DNA může dokonce kódovat více bílkovin!“

Replikace:

Replikace DNA probíhá předtím, než se buňka připraví na dělení – buď mitózu, nebo meiózu I.

Probíhá ve třech (přibližně) krocích.

1. DNA se odvíjí od histonů.
2. Enzym zvaný DNA helikáza otevírá strukturu šroubovice na úseku DNA a přerušuje vazby mezi dusíkatými bázemi. Udělá to způsobem podobným zipu a zanechá za sebou replikační vidličku.
3. Tady to začíná být zvláštní.

• Na 5′-3′ vlákně DNA enzym zvaný DNA polymeráza sklouzne k replikační vidlici a použije sekvenci dusíkatých bází na tomto vlákně k vytvoření nového vlákna DNA, které je k němu komplementární (to znamená, že se jeho báze spárují s bázemi na starém vlákně).
• Na 3′-5′ vlákně více polymeráz DNA páruje páry bází v dílčích úsecích a pohybuje se směrem od replikační vidličky. Později DNA ligáza spojí tato dílčí vlákna do nového souvislého úseku DNA.

Chceš vědět něco zajímavého? Při replikaci molekuly DNA obsahuje každá z výsledných nových molekul DNA vlákno původní, takže ani jedna není zcela „nová“. Současně s replikací DNA se také vytvářejí nové histony, aby se kolem nich mohla namotat nová vlákna DNA.

Interludium: RNA vs. DNA

Než začneme diskutovat o transkripci a translaci, dvou procesech klíčových pro syntézu bílkovin, musíme si promluvit o jiném druhu molekul:

RNA je velmi podobná DNA – má cukr-fosfátovou páteř a obsahuje sekvence dusíkatých bází. Mezi RNA a DNA je však několik zásadních rozdílů:

• RNA má pouze jeden nukleotidový řetězec. Vypadá jako pouze jedna strana žebříčku DNA.

• RNA má jako cukr ve své páteři ribózu.

• RNA má místo thyminu uracil (U).

• RNA je menší než DNA. Délka RNA končí přibližně na 10 000 bázích, zatímco DNA jich má v průměru kolem 100 milionů.
• RNA může opustit jádro. Ve skutečnosti vykonává většinu své práce v cytoplazmě.

Existuje několik různých typů RNA, z nichž každý má jiné funkce, ale pro účely tohoto článku se zaměříme na messengerovou RNA (mRNA) a přenosovou RNA (tRNA).

Výroba bílkovin, část 1: Transkripce

Transkripce je první fází procesu tvorby bílkovin, i když k vlastní syntéze bílkovin dochází až ve druhé fázi. V podstatě se při transkripci děje to, že mRNA „opíše“ instrukce pro výrobu bílkoviny z DNA.

Obrázek z A&P 6.

Nejprve enzym zvaný RNA polymeráza otevře úsek DNA a „přečtením“ sekvence bází na jednom z vláken DNA sestaví vlákno mRNA. Pokud je na DNA C, bude na RNA G (a naopak). Pokud je na DNA T, bude na RNA A, ale pokud je na DNA A, bude na RNA U (místo T). Jak RNA polymeráza putuje po řetězci DNA, uzavírá za sebou šroubovicovou strukturu.

Předtím, než se nová mRNA může vydat na cestu, aby doručila instrukce pro výrobu bílkovin, je „vyčištěna“ enzymy. Ty odstraní úseky zvané introny a pak zbylé úseky, zvané exony, spojí dohromady. Exony jsou sekvence, které skutečně kódují bílkoviny, takže právě ty musí mRNA zachovat. Introny si můžete představit jako vycpávku mezi exony.

Pamatujete si také, jak jsem se zmínil, že jedna sekvence DNA může kódovat více proteinů? Důvodem je alternativní sestřih: než mRNA opustí jádro, mohou být její exony různými způsoby spojeny dohromady.

Výroba bílkoviny, část 2: Translace

Poté, co je mRNA vyčištěná a připravená, opustí jádro a vydá se naplnit svůj osud: zúčastní se translace, druhé poloviny stavby bílkoviny.

V cytoplazmě se mRNA musí spojit s tRNA pomocí ribozomu. tRNA je typ RNA, která má místo pro vazbu volných aminokyselin a speciální sekvenci tří dusíkatých bází (antikodon), která se váže na ribozom.

Ribozomy jsou organely, které usnadňují setkání tRNA a mRNA. Během translace se ribozomy a tRNA řídí pokyny na mRNA a sestavují aminokyseliny do proteinů.

Obrázek z A&P 6.

Každý ribozom se skládá ze dvou podjednotek (velké a malé). Ty se spojují na začátku translace. Ribozomální podjednotky lze obvykle nalézt plovoucí v cytoplazmě, ale ribozom zakotví na drsném endoplazmatickém retikulu, pokud je třeba protein, který vytváří, umístit do transportního vezikulu. Ribosomy mají také tři vazebná místa, kde se může tRNA připojit: místo A (aminoacyl, první pozice), místo P (peptidyl, druhá pozice) a místo E (výstupní pozice).

Translace má nakonec tři kroky: iniciaci, elongaci a terminaci.

Při iniciaci vytvoří vlákno mRNA smyčku a malá ribozomální podjednotka (spodní část ribozomu) se na ni zahákne a najde sekvenci bází, která jí dá signál k zahájení transkripce. Ta se nazývá startovací kodon (AUG).

Poté se tRNA s antikodonem UAC spáruje s tímto startovacím kodonem a zaujme místo na druhé pozici (P) ribosomu. Tato tRNA nese aminokyselinu methionin (Met). V tomto okamžiku se na své místo dostane i velká ribozomální podjednotka (je nad mRNA a malá podjednotka je pod ní).

V elongační fázi se plně sestavený ribozom začne posouvat podél mRNA. Řekněme, že další sekvence bází, na kterou narazí po start kodonu, je GCU. Molekula tRNA s antikodonem CGA se naváže na místo první pozice (A) ribosomu. Aminokyselina, kterou nese (alanin), vytvoří peptidovou vazbu s Met. Poté se tRNA CGA (nesoucí řetězec Met-Ala) přesune do druhé pozice a tRNA UAC vstoupí do vazebného místa E. Místo v první pozici je pak připraveno přijmout novou tRNA. Tento proces pokračuje, dokud se ribozom nedostane ke „stop“ kodonu.

Video záznam z A&P 6.

Konec je v podstatě to, jak to zní. Po dosažení „stop“ kodonu nese tRNA, která se váže na první pozici, protein zvaný uvolňovací faktor. Aminokyselinový řetězec se pak od ribozomu oddělí a odejde buď do cytosolu, nebo do cisterny hrubého ER a ribozom se rozloží. Může se však velmi dobře znovu sestavit a znovu obejít smyčku mRNA. Na stejné mRNA může také pracovat více ribozomů najednou!“

A to jsou základy DNA!

Tady je praktická tabulka, na kterou se můžete podívat, pokud si potřebujete zapamatovat rozdíly mezi transkripcí, translací a replikací:

.

.

.

	Umístění	Účel	Hlavní Účastníci	Produkt(y)
Replikace	Jádro	Duplikace celého vlákna DNA	DNA DNA helikáza DNA polymeráza DNA ligáza	2 identická vlákna DNA
Transkripce	Jádro	Použití vlákna DNA k vytvoření molekuly mRNA	DNA RNA polymeráza (DNA ligáza)	mRNA
Translace	Cytoplazma	Použití mRNA k vytvoření řetězce aminokyselin	mRNA Ribosom tRNA (a aminokyseliny)	Řetězec aminokyselin (protein)

Pokud se chcete dozvědět více o buňkách, podívejte se na tyto související příspěvky na blogu VB:

• Anatomie & Fyziologie: Části lidské buňky
• Malé dopravní prostředky: Pasivní vs. aktivní transport v buňkách

Nezapomeňte se přihlásit k odběru Visible Body Blogu pro další úžasné anatomické informace!

Jste instruktorem? Máme pro vás oceněné 3D produkty a zdroje pro váš kurz anatomie a fyziologie! Více se dozvíte zde.

.