Lekce IV / 05 - DNA

Cíl lekce:

Žáci se seznámí s dědičnou informací uloženou v jádře buňky. Na vyráběném modulu si ověří, že jádro se skládá z chromozomů, které jsou dále složené z vláken DNA.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to genetika?
Co je DNA?
Co můžete zdědit po rodičích a co ne?
Jaký tvar má DNA?
Z čeho se DNA skládá?
Jakým způsobem se spojují dusíkaté báze?
Dle komplementarity doplňte dusíkaté báze na druhém vláknu: ATCCGTTACGGA.

DNA

DNA, neboli deoxyribonukleová kyselina, je jedním z typů nukleových kyselin. Je velice důležitá pro uchování genetické informace. DNA 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. 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 buňky. Skládá se ze dvou vláken, které se stáčí proti sobě ve dvoušroubovici.

Dvoušroubovice DNA
Obrázek DNA Double Helix od Apers0n [Public domain], via Wikimedia Commons

Stavba DNA

Jako u všech typů nukleových kyselin je nukleotid složen ze tří složek – dusíkaté báze, cukerné složky a zbytku kyseliny fosforečné. Jako dusíkaté báze jsou v DNA zastoupeny adenin a guanin (deriváty purinu) a cytosin a thymin (deriváty pyrimidinu). Mezi dusíkatými bázemi protějších vláken dochází k vazebným interakcím. Mluvíme zde o zákonu komplementarity. Spolu se váží vždy jen dvě specifické dusíkaté báze, vždy 1 báze pyrimidinová a 1 purinová. Adenin a thymin jsou spojené dvěma vodíkovými můstky a cytosinem a guaninem jsou spojené třemi vodíkovými můstky. Mezi sousedními bázemi navíc působí van der Waalsovy síly, které pomáhají k celkové stabilitě molekuly. Cukernou složkou je deoxyribosa (konkrétně 2-deoxy-β-D-ribofuranosa). V nukleových kyselinách dochází ke spojení jednotlivých nukleotidů a vznikne dlouhý řetězec polynukleotidů. Jednotlivé nukleotidy se vážou fosfodiesterovou vazbou (vazba mezi zbytkem kyseliny fosforečné následujícího nukleotidu prostřednictvím hydroxylové skupiny atomu C(3) své cukerné složky, vytváří se mezi uhlíkem č. 3 jedné pentózy a uhlíkem č. 5 následující pentózy). Polynukleotid tvoří základ nukleových kyselin. Nukleové kyseliny obsahují desítky, tisíce až miliony nukleotidů. Počet a pořadí jednotlivých nukleotidů v řetězci závisí na matrici, podle které byl polynukleotid syntetizován. Primární struktura nukleových kyselin je dána pořadím nukleotidů.

Stavba DNA
Obrázek Dna-base-flipping od Magladem96 [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Dusíkaté báze
Obrázek Dna-hydr od unknown [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Charakteristické znaky dvoušroubovice DNA jsou:

dvě samostatná polymerní vlákna
hlavní řetězce (cukr – fosfátové páteře) jsou orientovány protisměrně
báze jsou spárovány vodíkovými můstky
šroubovice je pravotočivá
fosforečnanové ionty (PO43-) dodávají molekule záporný náboj
má mnoho konfirmačních podtypů: může se ohýbat, natahovat, smršťovat čímž vytváří z typické primární struktury periodické sekundární struktury
sekundární struktury

Stavba DNA
Obrázek Difference DNA RNA-EN (upraveno) od Sponk [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Znaky DNA
Obrázek genetics-chromozones od OpenClips [Public Domain], via Pixabay

Replikace DNA

Replikace DNA je schopnost zajišťující dědičnost. Pro rozmnožování je nezbytné, aby potomek dostal plnohodnotnou genetickou informaci. Při replikaci vzniknou z jedné mateřské molekuly DNA dvě naprosto stejné DNA dceřiné (každá s jedním vláknem z původní DNA). Klíčovou roli při replikaci DNA mají enzymy (DNA polymerázy). U člověka se vyskytuje 5 druhů enzymů označované jako DNA dependentní DNA polymerázy. Při své práci vždy postupují od konce 5' ke konci 3'. Aby DNA polymeráza mohla zahájit připojování nukleotidů nového vlákna DNA, musí být vodíkové můstky = vazby mezi oběma vlákny nejprve narušeny. Místa, kde tato narušení vzniknou, jsou označovány jako replikační počátky. U bakterií bychom takovýto počátek našli pouze jeden, zatímco mnohem větší lidská DNA vytváří okolo 10 000 takových počátků. To jí umožňuje zreplikovat se také v poměrně krátké době. Poté co jsou k předlohovým vláknům dosyntetizována vlákna nová, je replikace DNA dokončena. DNA polymeráza udělá 1 chybu asi na 107 zreplikovaných bází (teoreticky mohou vznikat i dvojice G-T a A-C, jsou ovšem mnohem méně stabilní), navíc má sama korekční funkci. Replikace DNA je semikonzervativní děj, neboť v obou nově vzniklých DNA je jedno vlákno z původní dvoušroubovice.

Jednodušeji řečeno vlákna DNA se od sebe působením enzymů oddělí a ke každému (původnímu) vláknu je dosyntetizováno podle komplementarity bází vlákno druhé. Z jedné DNA vzniknou 2, naprosto stejné.

Schéma replikace DNA
Obrázek DNA replication split od Madprime [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Výzkum DNA

DNA vědci zkoumají už od 19. století. Už v roce 1869 ji z hnisu izoloval švýcarský lékař Friedrich Miescher. Nepodařilo se mu ji ale zkoumat či s ní dál pracovat. Popsat její strukturu se podařilo až v roce 1953 Američanovi Jamesi Watsonovi a Britovi Francisi Crickovi. V roce 1962 dostali za svůj objev Nobelovu cenu. Genetický kód pak byl rozluštěn v roce 1966.

Dnes je deoxyribonukleová kyselina středem zájmu vědců z mnoha biologických oborů a byly vyvinuty promyšlené techniky její izolace, separace, barvení, sekvenování i umělé syntézy. Všechny tyto postupy jsou důležité i pro lékaře, kriminalisty či evoluční biology – DNA je zásadním nástrojem pro diagnostiku nemocí, testy otcovství nebo vyšetřování zločinů, či třeba hledání příbuzenských vztahů mezi organismy.

Zkoumání DNA a obor genetiky je jedním z oborů, které jdou nejvíce kupředu. Znalost genetické informace se využívá také v zemědělství. Právě v zemědělství funguje genové inženýrství, kdy vědci zasáhnou do geonomu rostliny a změní ho žádoucím směrem. Rostlina se pak stává například odolnou vůči škůdci, který ji nejčastěji ničí. Nejčastěji se pěstuje geneticky upravená kukuřice.

Zkoumání genů (skladba geonomu)
Obrázek Genóme humain od Stefano [CC BY-SA 2.0], via Flickr

Chromozom

Chromozom je specifická barvitelná buněčná struktura eukaryot přítomná v jádře. Skládá se z DNA a histonů. Účelem jeho existence je usnadnit rovnoměrné rozdělení genetické informace do dceřiných buněk. Soubor všech chromozomů v jádře se nazývá karyotyp.

Chromozomy jsou pozorovatelné světelným mikroskopem především při buněčném dělení. Chromozom sestává z histonových bílkovin, které tvoří jakousi kostru, na níž se namotává molekula DNA (1,6–8,2 cm), a zároveň se podílí na různých dalších úkolech (replikace DNA, ochrana DNA, regulace replikace atd.). Tento komplex DNA a bílkovin se nazývá chromatin. V oblastech chromozomu se strukturní funkcí se ještě může vyskytovat RNA.

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: