DNA
DNA (skratka pre deoxyribonukleovú kyselinu) je polymér, čiže molekula zložená z mnohých jednotiek zvaných monoméry. Monoméry DNA sa nazývajú deoxyribonukleotidy, niekedy sa požíva aj názov nukleotidy, čo je súhrnný názov pre monoméry DNA – deoxyribonukleotidy a monoméry RNA – ribonukleotidy. Do polynukleotidového reťazca sú deoxyribonukleotidy spojené esterovou (fosfodiesterovou) väzbou. Deoxyribonukleotid tvorí
- zvyšok kyseliny trihydrogenfosforečnej
- deoxyribonukleozid
1. cukor deoxyribóza
2. dusíkatá báza
Dusíkatých báz je známych niekoľko, v DNA sa však uplatňujú len štyri: adenín (skratka A), tymín (T), guanín (G) a cytozín (C). Spojením adenínu s deoxyribózou vzniká deoxyadenozín (skratka dA), spojením tymínu s deoxyribózou deoxytimidín (dT), atď. Keďže kyselina fosforečná a deoxyribóza sú spoločné zložky pre všetky nukleotidy, jednotlivé nukleotidy sa od seba odlišujú len bázou. Práve bázy sú zodpovedné za kľúčovú schopnosť DNA zaznamenávať a prenášať genetickú informáciu. Deoxyribózová a kyselinová zložka slúžia na to, aby držali bázy vo vhodných polohách a vzdialenostiach. Tieto dve zložky tvoria takzvanú pentózafosfátovú kostru DNA.
DNA je nositeľkou genetickej informácie bunky, riadi rast, delenie a regeneráciu bunky. Väčšinou je DNA v bunke uložená ako dvojzávitnicová špirála, ktorej vlákna majú navzájom opačnú orientáciu fosfodiesterových väzieb (sú antiparalelné). Dvojzávitnica DNA je veľmi tenká, ale zároveň dosahuje veľkú dĺžku, ktorá mnohonásobne presahuje dĺžku celej bunky. Preto je v bunke veľmi poohýbaná a zvinutá. Prokaryotické organizmy, mikroorganizmy bez bunkového jadra, majú iba jednu pre život nevyhnutnú molekulu DNA v bunke. Je umiestnená voľne v cytoplazme a jej konce sú väčšinou spojené. Eukaryotické organizmy, organizmy s jadrom, majú hlavnú časť DNA v jadre, kde tvorí niekoľko oddelených molekúl, spravidla s voľnými koncami. Okrem hlavnej DNA, označovanej ako chromozomálna DNA, majú organizmy menšie molekuly DNA uložené v bunkových organelách alebo v krátkych do kruhu uzavretých úsekoch umiestnených v cytoplazme, tzv. plazmidoch. Genetická informácia zapísaná v DNA sa realizuje prostredníctvom dvoch základných krokov, a to transkripcie a translácie.
Najvýznamnejšími úsekmi molekuly DNA sú gény. Ako gén možno označiť sekvenciu, ktorá je prepisovateľná do RNA a plní v organizme určitú úlohu. Aby gény mohli byť prepisované a aby sa to odohrávalo v správny čas, obsahujú gény takzvané regulačné sekvencie. Tie nie sú súčasťou polypeptidového reťazca (neprekladajú sa), ale umožňujú regulačným proteínom a proteínom sprostredkujúcim priamo proces transkripcie nájsť kódujúce sekvencie v DNA. Využívajú sa pritom DNA-väzobné proteíny viazané na špecifické sekvencie. Gény sú zoradené lineárne za sebou, ale vzdialenosti medzi jednotlivými génmi bývajú rôzne, u prokaryotov všeobecne menšie než u eukaryotov. V medzerách mimo regulačných sekvencií sa nachádzajú úseky DNA, ktorých funkcia väčšinou nie je celkom alebo vôbec známa. Niektoré úseky tvoria mnohopočetné opakovania (repetície), iné sú jedinečné. Každá molekula DNA musí obsahovať tiež minimálne jeden replikačný počiatok, čiže miesto, z ktorého sa zahajuje jej replikácia.
Funkcie
Najznámejšou úlohou DNA je uchovávať a odovzdávať genetickú informáciu o poradí aminokyselín v bielkovinách, ktorá je zapísaná v jej primárnej štruktúre. Na základe primárnej štruktúry sa podľa oboch vlákien dvojzávitnice DNA vytvoria dve nové dvojzávitnice DNA (replikácia), alebo sa podľa jedného z nich vytvorí jedna jednovláknová RNA (transkripcia). Vzniknuté vlákno RNA môže niesť informáciu o tvorbe peptidového reťazca a podľa tejto informácie sa vytvorí nový peptid v ribozómoch. RNA, podľa ktorej sa peptid vytvára, sa nazýva mediátorová RNA. Existujú však aj ďalšie druhy RNA, ktoré sú pre život rovnako nevyhnutné a to takzvané funkčné RNA, čo sú RNA, ktoré sa do bielkovín neprepisujú a plnia určitú úlohu. Medzi funkčné RNA patrí ribozómová RNA a transferová RNA – bez účasti oboch týchto RNA by translácia nemohla prebiehať. Matrice pre funkčnú RNA sú tiež dané primárnou štruktúrou DNA.
Pri transkripcii DNA do RNA vznikajú náhodné chyby, ktoré môžu byť neškodné, ale tiež môžu úplne zmeniť funkciu produktu. Okrem toho však dochádza u eukaryotických organizmov k zámerným zmenám RNA (RNA processing a RNA editing), ktorej primárna štruktúra už potom nezodpovedá matrici v DNA a preto jej nemusí zodpovedať ani výsledný produkt. Odvodiť preto všetky produkty v organizme, u ktorého je úplne známa sekvencia jeho DNA, je oveľa zložitejšie, než sa na prvý pohľad zdá.
História výskumu DNA
Objavitelia štruktúry DNA James Dewey Watson a Francis Crick (vpravo) si podávajú ruky s Maclynom McCartym (vľavo). Zdroj obrázku
Nukleové kyseliny objavil v roku 1869 švajčiarsky lekár Friedrich Miescher. Jemu sa ako prvému podarilo z jadier bielych krviniek hnisu izolovať hmotu, ktorú nazval nukleín. Vzorka však nebola dosť čistá na to, aby sa mohla ďalej skúmať. Phoebus Levene začiatkom 20. storočia zistil, že DNA sa skladá z cukrov, fosfátov a báz. Jej funkcia v prenose genetickej informácie však dlho nebola známa. Jedna teória totiž hovorila, že genetická informácia sa prenáša vo forme špecializovaných bielkovín a nie DNA. Až v roku 1943 priniesol slávny Averyho-MacLeodov-McCartyho experiment prvý dôkaz o úlohe DNA v dedičnosti. Oswald Avery, Colin Munro MacLeod a Maclyn McCarty sériou pokusov s transformáciou pneumokokov zistili, že DNA je genetickým materiálom buniek. Ďalším dôkazom bol Hersheyho-Chaseovej experiment v roku 1952.
Erwin Chargaff so svojimi študentmi na základe analýz rôznych vzoriek DNA zistil, že pomer adenínu k tymínu a pomer guanínu a cytozínu je v nich rovnaký. Vzájomný pomer dvojíc adenín-tymín k dvojici guanín-cytozín bol rozdielny. Chargaff považoval tieto výsledky za významné, ale nevedel pre ne nájsť vysvetlenie.
Odhalenie trojrozmernej štruktúry DNA bolo v jej výskume veľmi významným míľnikom. Objav dvojzávitnicovej štruktúry sa spája s menami Jamesa Watsona a Francisa Cricka. Pred vypracovaním Watsonovho-Crickovho modelu už bolo známe, že DNA je tvorená monomérmi – nukleotidmi, ktoré sa líšia svojimi dusíkatými bázami. Dlho však nebolo jasné, ako sú nukleotidy usporiadané za sebou do polynukleotidového reťazca, či v ich usporiadaní existujú nejaké zákonitosti, koľko polynukleotidových reťazcov tvorí jednu molekulu DNA a aká je priestorová orientácia reťazca. Dôležitý pokrok v poznaní štruktúry DNA urobil S. Furberg, ktorý v roku 1949 objavil, že rovina dusíkatej bázy v nukleotide je takmer kolmá na rovinu, v ktorej leží väčšina atómov cukornatej zložky. Výskumná skupina Alexandra Todda v roku 1951 zistila, že nukleotidy sú spojené fosfodiesterovou väzbou spájajúcou 5′ atóm cukru s 3′ atómom cukru nasledujúceho nukleotidu. Problémom priestorového usporiadania atómov v DNA sa však nezaoberali. Správny priestorový model DNA predstavili až Watson a Crick v roku 1953 v časopise Nature. Pri tomto objave vychádzali z röntgenovej difrakčnej analýzy, ktorú rok pred ich publikáciou vykonali Rosalind Elsie Franklinová a Raymond Gosling a tiež publikovali v rovnakom čísle časopisu Nature. Crick predložil v roku 1957 sériu pravidiel označovaných ako centrálna dogma molekulárnej biológie. Tieto pravidlá popisujú vzťahy medzi DNA, RNA a proteínmi. V nasledujúcom roku Meselsonov–Stahlovv experiment predstavil spôsob, akým je DNA v bunkách množená. Na začiatku 60. rokov Har Gobind Khorana, Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg rozlúštili genetický kód. V roku 1980 dostali Walter Gilbert a Frederick Sanger Nobelovu cenu za objav metódy, ktorou možno určiť poradie
Komplementárnosť
Watsonovo-Crickovo párovanie guanínu s cytozínom. Zdroj obrázku
Watsonovo-Crickovo párovanie adenínu s tymínom. Zdroj obrázku
Komplementárnosť DNA znamená, že dve špecifické dusíkaté bázy dvoch vlákien alebo jedného dostatočne ohnutého vlákna sú, pokiaľ sa nachádzajú oproti sebe, schopné utvoriť chemické väzby. Podľa pravidla, ktoré sa nazýva Watsonovo-Crickovo podľa jeho objaviteľov, sa páruje vždy purínová s pyrimidínová báza. V prípade DNA sa teda adenín páruje s tymínom a guanín s cytozínom. Guanín s cytozínom sa viažu tromi vodíkovými väzbami, a adenín s tymínom zase dvomi vodíkovými väzbami. Keďže väzba adenín-tymín je kvôli menšiemu počtu vodíkových mostíkov slabšia, veľké množstvo adeníno-tymínovych párov sa nachádza v miestach, kde je potrebné, aby sa dvojzávitnica ľahko rozdelila na dve jednotlivé vlákna (napr. v tzv. replikačných počiatkoch). Spárovaným komplementárnych báz sa utvorí typická dvojreťazová štruktúra DNA. Tá je vzájomný negatív informácie v ňom obsiahnutej. Výhoda takejto štruktúry je v tom, že ak sa jedno vlákno dvojzávitnice DNA poškodí, informácia v ňom obsiahnutá ešte nie je úplne stratená a možno ju obnoviť podľa druhého vlákna.
Reťazce sú vzhľadom na seba postavené v opačnom smere. Kým jeden reťazec je orientovaný v smere 5’→ 3′, druhý bude orientovaný v smere 3’→ 5′. Oddeliť od seba tieto vlákna možno zahriatím na vysokú teplotu, zmenou pH, zmenou iónovej sily roztoku a prítomnosťou niektorých organických látok, napríklad močoviny. Tento jav, rozpadnutie dvojvlákna na jednotlivé vlákna, sa nazýva denaturácia DNA. Pri teplotnej denaturácii je možné postupným ochladzovaním roztoku dosiahnuť opätovné spárovanie báz v oboch reťazcoch a obnovenie pôvodnej štruktúry.
Watson-Crickovo pravidlo o párovaní báz je základný spôsob párovania, na ktorom je postavený celý prenos genetickej informácie. Existujú však aj iné spôsoby párovania, ktoré vedú k vzniku trojreťazových a štvorreťazových molekúl DNA. Taktiež existuje dvojreťazová DNA, ktorej reťazce nie sú antiparalelné, ale paralelné. V takomto prípade sa bázy párujú tzv. obráteným Watsonovo-Crickovým párovaním, ktorého zvláštnosťou je, že dovoľuje aj párovanie dvoch rovnakých báz, napríklad guanínu s guanínom.
Hoogestenovo párovanie báz je párovanie za nezvyčajných fyzikálnochemických podmienok, pri ktorom sa vytvára spojenie medzi troma bázami súčasne. Pri neutrálnom pH však takéto párovanie nie je stabilné. Existuje aj párovanie štyroch báz – tetrád.
Proteíny viažuce sa na DNA
Lambda represor, druh proteínu viažúceho sa na DNA. Jeho DNA-väzobná doména je typu helix-otočka-helix. Zdroj obrázku
DNA by nebola schopná sa replikovať a správne vykonávať svoje funkcie bez proteínov, ktoré sa na ňu v živých organizmoch viažu. Tieto proteíny sa na DNA viažu tzv. nekovalentnými väzbami – vodíkovými mostíkmi, iónovými väzbami alebo hydrofóbnymi interakciami väčšinou v oblasti väčšieho žliabku. Každé z týchto spojení je slabé, preto proteín musí vytvárať takýchto väzieb viacero, aby sa dokázal na DNA udržať po dlhšiu dobu. Pri svojom nadviazaní proteíny nemenia jej chemické zloženie, ale napriek tomu ovplyvňujú jej vlastnosti. Môžu napríklad spôsobiť ohyb molekuly DNA, čo sa uplatňuje pri zbalení molekuly DNA do kompaktnejších štruktúr, ale aj pri plnení funkcie DNA (napríklad proteín TBF ohnutím molekuly DNA umožňuje, aby na ňu nasadli ďalšie proteíny slúžiace na spustenie transkripcie). Obvykle sa na DNA neviaže celý proteín, len jeho takzvaná DNA-väzobná doména. Rozpoznávací význam má väzba jednotlivých aminokyselín proteínu na bázy DNA, väzba na fosfodiesterovú kostru len upravuje pozíciu proteínu vzhľadom na bázy. DNA-väzobné proteíny môžu rozoznávať rôzne bázové páry bez toho, aby rozrušili vodíkové mostíky medzi nimi a tým spôsobili „rozpletenie“ molekuly. Schopnosť proteínu viazať sa len na bázy zoradené v správnom poradí (špecifickom pre daný proteín), nazývame sekvenčná špecificita proteínu. Inými slovami, DNA poradím svojich báz v jednom úseku dovoľuje na tento úsek nasadnúť len proteínu z určitej skupiny. Niektoré DNA-viažúce proteíny sa môžu na DNA nadviazať, len ak sú na nej už prítomné iné proteíny.
Proteíny nadviazané na DNA môžu umožňovať transkripciu daného úseku, zosilňovať ju, alebo naopak tlmiť až úplne zastaviť. Sú preto kľúčové pre reguláciu génov a sú zodpovedné za to, aby sa správny gén prejavoval v bunke v správnom čase. DNA väzobné proteíny, ktoré sa viažu na DNA len dočasne a špecificky zapínajú a vypínajú prepisovanie určitého génu, sú napojené na signálne dráhy v bunke.
Rekombinácia DNA (zvaná tiež genetická modifikácia, génová manipulácia)
DNA všetkých organizmov na Zemi je po chemickej stránke rovnaká. Hociktorý voľný 5′ koniec sa môže spojiť s hocijakým voľným 3′ koncom. Preto je možné spojiť fragmenty DNA aj vysoko nepríbuzných druhov a takisto je možné aj spojenie DNA chromozomálnej a extrachromozomálnej.
Rekombináciu DNA si netreba zamienať s pohlavným rozmnožovaním. Pri spojení dvoch pohlavných buniek nedochádza k vzájomnej rekombinácii ich DNA. DNA v každej pohlavnej bunke tvorí samostatné oddelené molekuly, ktoré sa síce v oplodnenom vajíčku dostanú spolu do jedného jadra, no fyzicky sa nespájajú ani nerekombinujú. Ale v oveľa neskoršej fáze ontogenézy, pri tvorbe vlastných pohlavných buniek jedinca, rekombinovať môžu – tento spôsob prirodzenej rekombinácie sa nazýva crossing over.
Umelou rekombináciou sú vedci schopní vyrobiť také sekvencie DNA, ktoré sa v prírode nevyskytujú. Takáto DNA sa nazýva rekombinantná. Samotné spojenie dvoch koncov molekuly však ešte nezaručuje, že daný úsek DNA bude možné transkribovať a že sa bude podľa neho bude v inom organizme tvoriť rovnaký produkt ako v pôvodnom organizme. Osud RNA po transkripcii je napríklad u prokaryotických organizmov iný než u eukaryotických. Takisto proteíny po skončení syntézy podliehajú u eukaryotov často ešte zložitým úpravám. Dosiahnuť preto, aby napríklad baktéria produkovala nejaký cicavčí proteín, je preto veľmi zložité a nestačí jednoducho vyštiepiť príslušný gén z DNA cicavcov a vložiť ho do DNA baktérie. Keďže baktérie napríklad nedokážu zostrihať z pre-mRNA intróny, pre expresiu génu v baktérii sa do nej musí vniesť cDNA daného proteínu.
Rekombinácia DNA má význam napríklad v medicíne. Vložením génov pre produkciu ľudských proteínov do mikroorganizmov je možné získavať vo veľkých množstvách čistý proteín. Ten sa potom umelo podá pacientovi, ktorého telo kvôli genetickej chorobe daný proteín neprodukuje. Tvorba rekombinantných organizmov však naráža na etické otázky, ako aj obavy z nepredvídateľných následkov rekombinácii či z úniku rekombinantných organizmov do prírody a ich nepriaznivých efektov na ekosystémy.
Význam DNA
Všetky v súčasnosti žijúce organizmy okrem sporných útvarov na hranici medzi živým a neživým potrebujú na svoje množenie DNA. V DNA je totiž obsiahnutá informácia na tvorbu základných stavebných komponentov bunky – proteínov a prostredníctvom DNA je táto informácia dlhodobo skladovateľná a replikovateľná. DNA má každý jedinec spomedzi bunkových foriem života a niektoré vírusy. Ďalšie vírusy – retrovírusy, v sebe neobsahujú DNA iba RNA, ale aj táto RNA musí byť na zmnoženie vírusovej častice najprv prepísaná v hostiteľskej bunke do DNA enzýmom zvaným reverzná transkriptáza. Niektoré vírusy ale uskutočňujú kopírovanie svojej genetickej informácie len podľa RNA a DNA forma sa v ich životnom cykle nevyskytuje.
DNA je potrebná na množenie buniek, ich rast, špecializáciu v určitej funkcii (diferenciáciu), signalizáciu, ale aj na základné životné pochody v bunkách, ktoré nemusia vykonávať nijakú z predtým spomenutých aktivít. V každej bunke totiž pod vplyvom nepriaznivých vonkajších faktorov, ale aj samovoľnými procesmi časom jej stavebné a funkčné makromolekuly zanikajú. Preto musia byť neustále tvorené nové molekuly podľa vzoru zapísaného v DNA. Bunky, ktoré neobsahujú DNA, alebo podľa ich DNA nie je možné vytvárať proteíny (DNA je v kondenzovanom stave), majú obmedzenú životnosť. Takéto bunky sa nemôžu replikovať a tvorba ďalších takýchto buniek je závislá na bunkách, ktoré majú funkčnú – transkripčne aktívnu DNA. Neplatí, že každá bunka, ktorá má transkripčne aktívnu DNA, je schopná sa deliť, no je to jeden z nevyhnutných predpokladov. Keďže DNA je pre život buniek a organizmov z dlhodobého hľadiska nevyhnutná, v priebehu evolúcie sa v organizmoch vyvinuli mechanizmy, ako v prípade poškodenia DNA toto poškodenie opraviť.
Genetickú informáciu obsiahnutú v DNA, ani množenie a opravy poškodenej DNA, však nie je možné realizovať bez už existujúcich proteínov. Proteíny a DNA sú od seba vo svojom vzniku a šírení vzájomne závislé.
Vedci však uvažujú, že prvé živé organizmy na Zemi obsahovali ako základnú genetickú informáciu RNA a len prostredníctvom RNA sa dokázali rozmnožovať. Neskôr boli vytlačené efektívnejšími a odolnejšími DNA formami života.
Zmeny v DNA
Pri replikácii DNA občas (asi v 1 prípade z 10 000 000) dochádza k zapojeniu chybného nukleotidu. Väčšina týchto chýb je opravená buď samotnou DNA-polymerázou, alebo systémom opravy chybného párovania báz, ale niektoré pretrvávajú. Tieto chyby, ktoré môžu byť pri ďalšej replikácii prenášané na novovzniknuté DNA a s nimi do dcérskych organizmov, sa nazývajú mutácie. Mutácie vznikajú aj v období mimo replikácie DNA, napríklad pod vplyvom ionizujúceho žiarenia, či pôsobením voľných radikálov. Ale aj DNA umiestnená v ideálnych podmienkach mimo všetkých bežných škodlivých vplyvov, podlieha kontinuálnemu poškodzovaniu. Medzi tieto druhy poškodenia patrí depurinácia (strata purínových báz), deaminácia – zmena cytozínu na uracil, a ďalšie. Mutácie môžu mať mnohé podoby. Môžu postihnúť naraz aj dlhé sekvencie či dokonca celú molekulu DNA alebo genóm. Môže napríklad dôjsť k zlomu v jednom alebo naraz v oboch vláknach DNA, pričom druhý prípad je oveľa závažnejší.
Keby neexistoval opravný mechanizmus mutácií, nahromadené mutácie by vo väčšine prípadov rýchlo spôsobili zánik organizmu. Našťastie je väčšina mutácií rozpoznávaná a opravovaná reparačnými mechanizmami. Tieto zahŕňajú enzýmy zo skupiny endonukleáz, ktoré (poškodenú) DNA štiepia a ligáz, ktoré zlepujú rozštiepenú DNA dokopy. DNA je preto dynamická štruktúra, v ktorej neustále prebiehajú poškodenia a opravy.
Občas ale niektorá mutácia opravnému mechanizmu unikne. Pokiaľ daná mutácia spôsobí zmenu zmyslu životne dôležitého génu, bunka zahynie. Mutácia však môže byť aj synonymná, tzn. jeden nukleotid sa zmení, ale zhodou okolností aj so zmeneným kodónom priradí translačný aparát k príslušnému kodónu tú istú aminokyselinu ako pôvodne (pretože pre niektoré aminokyseliny existuje až do 6 rôznych kodónov). Menej škodlivé, neškodné a priaznivé mutácie sú odovzdávané potomstvu bunky. DNA je chemicky všade rovnaká a neopravené mutácie sa v nej vyskytujú úplne náhodne. No keďže mutácie meniace zmysel životne dôležitých génov vedú k smrti bunky, potomstvu sa budú odovzdávať najčastejšie mutácie v miestach DNA, ktoré nebudú mať pre bunku veľký význam. Pozri tiež heslo mutácia.
Zdroje
- ROSYPAL, Stanislav. Úvod do molekulární biologie. tretie. vyd. Brno : [s.n.], 1998. (česky)
- Nukleové kyseliny [online]. Biopedia.sk, [cit. 2011-01-13]. Dostupné online.
- http://is.muni.cz/th/151360/prif_b/bc_MB.txt
- DNA deoxyribonukleová kyselina [online]. Encyklopédia Vševěd, [cit. 2011-01-13]. Dostupné online. (česky)
- ALBERTS, Bruce; BRAY, Dennis; JOHNSON, Alexander, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter Základy buněčné biologie. Redakcia Miranda Brownová, Eleanor Lawrenceová, Valerie Nealová, Anne Vinnicombeová; preklad Arnošt Kotyk, Bohumil Bouzek, Pavel Hozák; ilustrácie Nigel Orme. 2.. vyd. Ústí nad Labem : Espero Publishing, © 1998. ISBN 80-902906-2-0. (česky)
- Nukleové kyseliny a proteosyntéza [online]. [Cit. 2011-02-09]. Dostupné online.
- THOMPSON, James S.; THOMPSONOVÁ, Margaret W.. Klinická genetika. Preklad Viliam Izakovič. štvrté. vyd. Martin : Osveta, 1988. 440 s.
- MIŠÚROVÁ, Eva; SOLÁR, Peter. Molekulová biológia. [s.l.] : Univerzita Pavla Jozefa Śafárika v Košiciach, 2007. ISBN 978-80-7097-671-5.
Napísať odpoveď