Rychlokurz biologie
Rychlokurz biologie (8/18) · 12:39

Struktura DNA a replikace V tomto videu se dozvíte o jednom z divů přírody - molekule deoxyribonukleové kyseliny a její replikaci.

Je to krása, co? Je to fascinující dvoušroubovice! Při pohledu na ni můžu opravdu říct, jak je úžasná a důležitá. Je to pravděpodobně nejsložitější molekula, jaká existuje a teoreticky také jedna z nejdůležitějších. Je to tak složité, že jsme si ještě před 60 lety nebyli jistí, jak skutečně vypadá. Je úchvatné, že pokud ji izolujeme z jedné naší buňky a rozmotáme ji, bude delší než já. Nyní uvažujme, že v našem těle máme zhruba 50 bilionů buněk. Kdybychom nyní spojili všechnu DNA z těchto buněk a vzali jeden konec, natáhli bychom ji až ke Slunci, ale ne jednou. Nýbrž 600 krát! Opravdu úžasně, nemyslíte? (veselá hudba s pískáním) Jak asi víte, mluvím o deoxyribonukleové kyselině známé pod zkratkou DNA. DNA obsahuje naši genetickou informaci. Informaci, která řídí funkce všech našich buněk. Je to šestimilardová šifra, která obsahuje informace o vás a o tom, co jste. DNA má stejnou funkci takřka ve všech živých organismech. Předpokládejme, že jste člověk, v tom případě, každá buňka ve vašem těle má 46 chromozomů a každý z nich obsahuje 1 velkou molekulu DNA. Tyto chromozomy jsou smotány společně s proteiny v jádře buňky. DNA patří do skupiny nukleových kyselin, je příbuzná ribonukleové kyselině = RNA, o které budeme též mluvit. Takže nyní, jestli můžeme, vraťme se do epizody 3, kde jsme mluvili o všech důležitých biomolekulách jako sacharidy, tuky a proteiny (=bílkoviny), vzpomínáte? Nukleové kyseliny jsou čtvrtou skupinou biomolekul a mají asi nejtěžší práci ze všech. Stavbou to jsou polymery, což znamená, že jsou složeny z mnoha malých opakujících se jednotek. V DNA je nazýváme nukleotidy spojené v jeden polynukleotidový řetěz. Předtím než ale dáme tyto malé části dohromady do DNA tak, jako bychom skládali nějaký maličký kousek nábytku z IKEY, pojďmě se podívat, z čeho je složen každý nukleotid. Jsou potřeba 3 části: 1. pětiuhlíkatá molekula cukru, 2. zbytek kyseliny fosforečné, a 3. jedna ze čtyř existujících dusíkatých bazí. Zkratka DNA vznikla z chemického složení, molekula cukru je nazývána deoxyribóza; ale opravdu důležitou genetickou funkci v DNA mají 4 dusíkaté báze: adenin, thymin, cytosin a guanin. Je důležité zmínit, že v živých organismech neexistuje DNA jako samostatný polynukleotidový řetězec, ale vždy je spojena s druhým řetězcem. Můžeme je přirovnat k propleteným, dvojitým, točitým schodům; prostě vypadá jako žebřík, ale stočený. Naše známá dvoušroubovice. Aby držela při sobě, musí být spojena. Spojené cukry a fosfáty v DNA tvoří dvojitou oporu. Spojení cukr-fosfát jde dolů na okraji spirály, chemicky jsou ovšem opačně orientovány. Jinak řečeno, pokud se podíváte na každou z cukr-fosfátových opor, uvidíte, že jsou vůči sobě orientovány antiparalelně. Jeden řetězec začíná s fosfátem nahoře spojený s molekulou cukru na pátém uhlíku a poté končí tam, kde by normálně byl další fosfát, volným koncem na třetím uhlíku cukru. Toto uspořádání vytváří 5' a 3' konec. Vždy si představuju deoxyribózu se šipkou s kyslíkem jako hrotem, vždy směřujícím od 3' konce k 5' konci. Druhá strana je přesně opačně orientovaná. Řetězc začíná cukrem s volným 3' koncem pokračuje fosfátem napojeným na pátý uhlík v cukru a končí fosfátem. Ale to vám pravděpodobně už došlo. Tento řetězec je tedy nazýván 3'->5' směr. Nyní z těchto vláken vytvoříme dvoušroubovici. Tyto dva řetezce jsou spojeny dusíkatými bázemi, a to prostřednictvím relativně slabých vodíkových můstků. Ale není to žádné náhodné spojení. Takže když přijde na to, co se s čím spojuje, pamatujte, že pokud nukleotid obsahuje adenin může být spojen jedině s thyminem. Stejně také guanin pouze s cytosinem. Tyto dvojice jsou nazývány páry bazí. Pár GC je spojen třemi vodíkovými můstky, pár AT je spojen pouze dvěma vodíkovými můstky. Pořadí párů bazí je to, co poté tvoří vás. Takže AGGTCCATG znamená něco úplně jiného než třeba TTCAGTCG. Lidský chromosom 1, největší z našich chromozomů, obsahuje molekulu DNA, která má 247 milionů párů bází. Pokud byste vytiskli všechna písmenka jednoho chromozomu do knihy, bylo by to asi 200 000 stran a každá z vašich tělních buněk má 46 molekul DNA těsně zabalených do jejich jader; to je jeden na každý váš chromozom. Pokud dáme všech 46 molekul dohromady, budeme mít asi 6 milard párů bazí v každé buňce. To je nejdelší kniha, co jsem kdy četl! Má asi 1000 stránek. Kdybychom ji zaplnili naší DNA sekvencí, potřebovali bychom jich kolem 10 000, aby se tam vešel celý genom. Kvíz! Vyzkoušíme vaše zkušenosti použitím velmi krátkých vláken DNA. Dám vám 1 sekvenci a vy my dáte základní sekvenci, která se objeví na druhém vlákně. Ok, tady je. Takže máme 5' AGGTCCG ->3' A... Čas vypršel, odpověď zní 3' TCCAGGC ->5'. Vidíte, jak to funguje? Není to extra složité, když každá dusíkatá báze má pouze 1 možného vazebného partnera, můžete použít 1 sekvenci bází k předpovědi odpovídající párové sekvence. Takže, můžu udělat stejnou sekvenci bází s vláknem jiné nukleové kyseliny, RNA? Ne, nemůžete. RNA je jistě podobná své sestřenici, DNA; má sacharidovo-fosfátovou oporu s připojenými dusíkatými bázemi, ale jsou tu 3 hlavní rozdíly: 1. RNA je jednovláknová molekula, žádná dvoušroubovice. 2. Cukr v RNA je ribóza, která má o jeden kyslíkový atom víc než deoxyribóza, proto začíná na R místo D. A konečně, RNA neobsahuje thymin. Její čtvrtý nukleotid je báze uracil, která se váže s adeninem. RNA je velmi důležitá pro produkci proteinů a uvidíte později, že má klíčovou roli v replikaci DNA, ale nejdříve... (piáno) Biolografové! Ano, tento týden v množném čísle, protože když začnete mluvit o něčem tak rozmanitě úžasném a elegantním jako DNA, musíte žasnout nad tím, kdo vymyslel všechno tohle a jak velký byl jejich mozek? Není překvapivé, že je k tomu nutno spousta různých mozků ve spoustě různých zemí a téměř 100 let myšlení. Jména, která obvykle slýcháváte, když se někdo ptá: "Kdo objevil DNA?" jsou James Watson a Francis Crick, ale to je nesmysl; neobjevili DNA, ani že DNA obsahuje genetickou informaci. Samotná DNA byla objevena roku 1869, švýcarským biologem Friedrichem Miescherem. Jeho prací bylo studování bílých krvinek a získával je nejnechutnějším způsobem, jaký si dokážete představit, z použitých obvazů z nedaleké nemocnice (smích). Bože. Udělal to pro vědu! Koupal buňky v teplém alkoholu, aby odstranil lipidy, a pak na ně pustil enzymy, aby rozštěpily proteiny a co zůstalo po tom všem byl tenhle "sopel", šedá věc, o které věděl, že to musí být nějaký nový druh biologické substance. Nazval to nuklein, což se později stalo známým jako nukleová kyselina. Ale Miescher nevěděl, jakou hraje roli nebo jak vypadá. Jednou z vědkyň, která to pomohla vyřešit byla Rosalind Franklin, mladá londýnská biofyzička téměř o 100 let později. Za použití techniky nazvané rentgenová difrakce Franklin mohla být první, kdo by potvrdil šroubovitou strukturu DNA. Také určila, že sacharidovo-fosfátová opora existuje na vnější straně struktury. Takže, proč není Rosalind Franklin nejvíce skloňované jméno? 2 důvody: 1. Narozdíl od Watsona a Cricka, Franklin ráda sdílela data se svými rivaly; byla to Franklin, která informovala Watsona a Cricka, že dřívější teorie tříspirálové struktury nebyla možná, a přitom naznačila, že DNA by vskutku měla být dvoušroubovice. Později byly její podklady potvrzující šroubovitou struktury DNA poskytnuty Watsonovi bez jejího vědomí. Její práce byla nakonec publikována v Nature, ale ne dokud se neobjevily 2 dokumenty od Watsona a Cricka, ve kterém dvojice její podíl na získání dat zmínila jen okrajově. Ještě horší bylo, že komise Nobelovy ceny ji nemohla ani posoudit pro udělení ceny v roce 1962 kvůli její smrti. Opravdu tragická věc je, že je pravděpodobné, že její vědecká práce mohla vést k její brzké smrti kvůli rakovině vaječníku ve věku 37 let. V té době technologie rentgenové difrakce, kterou používala k fotografování DNA, vyžadovala nebezpečné množství ozáření a Franklin zřídkakdy dbala na bezpečnostní opatření. Nobelovy ceny nemohou být uděleny posmrtně. Možná věřila, že bude sdílet medaili Watsona a Cricka, pokud by byla naživu, aby ji mohla přijmout. Teď, když víme něco o základech struktury DNA, potřebujeme porozumět tomu, jak se sama kopíruje, protože buňky se neustále dělí, a to vyžaduje kompletní kopii veškeré informace v DNA. Naše buňky jsou v tomhle extrémně dobré. Mohou tvořit ekvivalenty 10 000 kopií téhle knihy v několika hodinách; tohle, mí přátelé, se nazývá replikace. Každá buňka ve vašem těle má kopii stejné DNA, začalo to z původní kopie a bude se kopírovat bilionkrát, během doby života, pokaždé se použije polovina původního DNA vlákna jako předloha k vystavění nové molekuly. Takže, proč je teenager jako enzym helikáza? Oba chtějí rozepnout vaše džíny. (pozn. genes vyslovováno stejně jako jeans) Helikáza je úžasná, rozplétá dvoušroubovici krkolomnou rychlostí, kráje slabé vodíkové vazby mezi bázemi. Bod, ve kterém rozmotávání začíná, je znám jako replikační vidlice, má vrchní vlákno nazývané vedoucí (leading), nebo dobrák, jak říkám já, a spodní vlákno nazývané opožďující se (lagging), které rád nazývám šmejd, protože je s ním hrozné trápení. Tyto rozvinuté úseky teď mohou být použity jako předlohy k vytvoření 2 komplementárních DNA vláken, ale pamatujme, 2 vlákna jdou v opačných směrech z hlediska jejich chemických struktur, což znamená, že vznik nového DNA vlákna podle vedoucího vlákna je mnohem, mnohem lehčí, než pro opožďující se vlákno. Pro vedoucí dobrácké vlákno platí, že enzym nazývaný DNA polymeráza zapojuje párující nukleotidy do vznikajícího řetězce podél celé molekuly. Ale, dříve než to může udělat, je třeba provést výběr nukleotidů, které vyplní úsek, který je právě rozbalena. Začínají na úplném začátku molekuly DNA. DNA polymeráza potřebuje kousek primeru, prostě krátký řetězec, aby se zachytila a mohla začít budovat nový DNA řetězec a za tenhle malý primer můžete děkovat enzymu RNA primáze. Vedoucí vlákno potřebuje tenhle RNA primer jen jednou na samém počátku, pak DNA polymeráza ví, co dělat a jednoduše následuje rozvíjení a připojuje nové nukleotidy k řetězci průběžně po celé délce molekuly. Kopírování opožďujícího se vlákna, toho šmejda, je peklo. Protože DNA polymeráza umí kopírovat vlákna orientované jen v 5' -> 3' směru a opožďující se vlákno je 3' -> 5' směr. Takže DNA polymeráza může přidat nové nukleotidy jen k volnému 3' konci primeru, takže možná je tu šmejdem DNA polymeráza. Jelikož opožďující se vlákno běží opačným směrem, musí být kopírováno v podobě segmentů; a zde, malý úžasný enzym, RNA pimáza, působí znovu, čas od času pokládá malé RNA primery, které poskytují DNA polymeráze počáteční bod k následné práci zpětně podél vlákna. Takhle se to dělá v hromadě samostatných segmentů, každý o délce 1000 až 2000 párů bází, začínající RNA primerem, tyto segmenty jsou nazvány Okazakiho fragmenty. Jmenují se po manželské dvojici vědců, kteří objevili tento krok v průběhu 60. let, a díky bohu, že byli manželé, takže proto je můžeme nazvat jen Okazakiho fragmenty namísto Okazaki-něčí-někdo fragmenty. To umožňuje vláknům, aby byly syntetizovány v krátkých impulzech, a potom jiný druh DNA polymerázy jde přes ně zpět a nahradí všechny tyto RNA primery, a pak se všechny malé fragmenty spojí pomocí enzymu nazývaného DNA ligáza. A to je důvod, proč říkám, že opožďující se vlákno je šmejd. DNA replikace má chybovost asi 1 na každých 10 miliard nukleotidů, ale nemyslete si, že vaše tělo na tohle nemá řešení. Zjistilo se, že DNA polymeráza také může opravovat ve smyslu, že odstraňuje nukleotidy z konce vlákna kdykoliv objeví nesprávně párující bázi, protože poslední věc, kterou chceme, je A, když by tam mělo být G. Vzhledem k tomu, jak pevně je DNA svázaná do každé z našich buněk, je, upřímně, úžasné, že se nestane více chyb. Pamatujte, že mluvíme o milionech kilometrů těchto vláken v našich buňkách, a tohle, přátelé, je proč vědci nepřehánějí, když nazývají DNA nejvíce oslavovanou molekulou všech dob.
video