Biologie

E-learning jako vzdělávací nástroj školy 3. tisíciletí

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Genetická informace

Email Tisk PDF

Objev DNA a její struktura

V roce 1869 izoloval německých chemik Johann Friedrich Miescher (1844 - 1895) látku, která tvořila základ buněčného jádra, tuto látku Miescher pojmenoval pojmem "nuklein". Název deoxyribonukleová kyselina byl pro tuto sloučeninu zaveden až o několik desetiletí později.
V roce 1928 provedl anglický mikrobiolog Fred Griffith zajímavé pokusy, v rámci kterých se pokoušel zjistit, čím je způsobená patogenita bakterií Streptococcus pneumoniae, které vyvolávají těžké záněty plic, často také se smrtelným průběhem. Bylo známo, že infekci způsobují ty bakteriální buňky, které jsou obaleny hlenovitým pouzdrem. Griffith měl k dispozici kulturu těchto opouzdřených bakterií a současně kulturu neopouzdřených bakterií, které žádné onemocnění nevyvolávaly. Při svých pokusech na myších zjistil, že k rozvoji infekce nedojde, ani když aplikuje pokusným organismům opouzdřené bakterie usmrcené varem. Pokud ale zvířatům aplikoval směs neškodných neopouzdřených bakterií s usmrcenými opouzdřenými buňkami, myši onemocněly a zemřely. Griffith zjistil, že v jejich krvi se vyskytují živé opouzdřené formy bakterií. Tento výsledek pokusu vedl obecně k domněnce, že buňky patogenních opouzdřených bakterií musí v sobě obsahovat nějakou látku, která způsobuje přeměnu neboli transformaci neopouzdřených buněk na opouzdřené. Z pokusů dále vyplývalo, že touto látkou nemůže být bílkovina, neboť všechny proteiny byly denaturovány varem. V této době však nemohl Griffith blíže podstatu látky vysvětlit.
Na základě Griffithových pokusů prokázal v roce 1944 Oswald Theodor Avery (1877 - 1955) a jeho spolupracovníci, že látka přítomna v suspenzi usmrcených bakterií byla deoxyribonukleová kyselina DNA. Zcela poprvé spatřil světlo světa důkaz, že materiálním nosičem genetické informace jsou nukleové kyseliny. 

Do roku 1950 stále není známa struktura DNA

Teprve v roce 1951 objasnila výzkumná skupina Alexandra Todda v bristkém Cambridge skutečnost, že základem molekuly DNA je polynukleotidový cukr fosfátový řetězec, v němž jsou částice 2-deoxy-D-ribózy (tzv. deoxyribóza), viz. obr. č. 2, navzájem propojeny fosfátovými skupinami, přičemž je na každou částici deoxyribózy připojena jedna z dusíkatých bází - adenin - A, guanin - G (purinové báze), cytosin - C a thymin - T (pyrimidinové báze), přehled dusíkatých bází viz. obr. č.1.
Molekula deoxyribózy obsahuje 5 atomů uhlíku, označených čísly 1´až 5´. Od strukturně velmi podobné ribózy se liší tím, že na uhlíku 2´má místo OH-skupiny navázaný pouze vodík. Na uhlíkové atomy v pozici 3´a 5´jsou navázány kovalentní fosfodiesterovou vazbou fosfátové skupiny. Proto má každý konec polynukleotidového řetězce jiné označení - buď 3´nebo 5´. kromě toho je vždy na uhlík 1´navázána kovalentní N-glykosidickou vazbou některá z dusíkatých bází (A, G, C, T).

adenin

 guanin

cytosinthymin

Obrázek č. 1 Dusíkaté báze DNA: horní řada - adenin (vlevo), guanin (vpravo); dolní řada - cytosin (vlevo), thymin (vpravo).

deoxyribza
Obrázek č. 2 Chemický vzorec D-ribózy (vlevo) a 2-deoxy-D-ribózy (vpravo).

Spojením báze s deoxyribózou a s kyselinou fosforečnou (HPO42-) vzniká nukleotid, viz. obr. č. 3, který je základní strutkurní jednotkou DNA. Podle konkrétní báze se rozlišují nukleotidy adeninové, guaninové, cytosinové a thyminové. Sloučenina vzniklá spojením purinové nebo pyrimidinové báze N-glykosidickou vazbou s pentózou se označuje pojmem nukleosid - viz. schéma obr. č. 4.

nukleotid
Obrázek č. 3 Chemická stavba nukleotidu.
DNA1
Obrázek č. 4 Schematické znázornění chemické stavby nukleotidu a nukleosidu.

Nukleotidy se spojují prostřednictvím disterických vazeb (pentóza-fosfát-pentóza-fosfát...) a tvoří tzv. polynukleotidový řetězec. V něm jsou nukleotidy uspořádány za sebou v určitém pořadí neboli sekvenci. Každý gen je v DNA zapsán jako charakteristická sekvence nukleotidů. Sekvence řetězce se zapisuje pomocí zkratek bází, jimiž jsou nukleotidy tvořeny, např.

5´A A C T G C G A T G C C C T T A G C 3´

Čísla 5´a 3´označují volné konce uhlíků deoxyribózy, čímž udávají orientaci řetězce.

Sekundární struktura DNA

Až do poloviny 20. století zůstává neobjasněná vlastní struktura DNA, bylo zapotřebí zjistit, kolik polynukleotidových řetězců ji vlastně tvoří. Americký biolog James Dewey Watson (narozen 1928) a britský fyzik Francis Harry Compton Crick (1916 - 2004) dospěli společně, na universtiním pracovišti v Cambridgi, k závěru, že molekula DNA je tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci, které jsou navzájem spojeny a stabilizovány vazbou vodíkovými můstky mezi dusíkatými bázemi.
Z prostorových důvodů se vodíkové vazby tvoří pouze mezi určitými bázemi; adenin se vždy páruje s thyminem (A-T) a guanin s cytosinem (G-C). Návzájem jsou tyto báze vůči sobě komplementární.
Polynukleotidové řetězce v DNA jsou antiparalelní. V důsledku párování bází může být z jednoho polynukleotidového řetězce v dvoušroubovici zaujmout místo pouze proti takové bázi z druhého řetězce, se kterou může vytvoeřit vodíkové vazby. Sled nukleotidů v jednom řetězci je tedy komplementární (ale ne identický) s řetězcem druhým (jeden řetězec je vždy orientován ve směru 5´- 3´, zatímco protější řetězec opačně, tedy 3´- 5´).

DNA
Obrázek č. 5 Struktura dvoušroubovice DNA.

K dalším stabilizujícím prvkům dvoušroubovice DNA patří van der Waalsovy síly mezi sousedními bázemi.

Zastoupení bází v DNA má svá pravidla, na základě komplementarity bází lze vyvodit, že v každé dvoušoroubovici DNA je obsah molekul purinových bází (A, G) rovný obsahu molekul pyrimidinových bází (C, G). Jedná se o tzv. Chargaffovo pravidlo. Např. jestliže se adenin vždy páruje s thyminem, musí platit, že poměrné zastoupení adeninu bude stejné jako zastoupení thyminu. Stejně tak se obsah guaninu rovná obsahu cytosinu.

Úkol:
Doplňte v daném úseku DNA k uvedenému řetězci sekvenci nukleotidů druhého řetězce včetně čísel vyjadřujících orientaci antiparalelních řetězců:

5´A A C T G C G A T G C C C T T A G C 3´

Denaturace DNA

Rozrušení vazeb vodíkovými můstky a následné oddělení řetězců lze však vyvolat  působením zvýšené teploty (kolem 90 až 100 °C), některých chemických sloučenin nebo specifických enzymů. Tento děj je označován pojmem denaturace DNA. Pokud denaturační podmínky pominou (např. při ochlazení nebo změně chemického složení roztoku), komplementární řetězce se opět spojí - dojde k tzv. reasociaci (renaturaci) DNA.

DNA-diagnostika
Procesy denaturace a reasociace se v současně době hojně využívají v tzv. DNA diagnostice. Jedná se o molekulárněbiologické metody, které se používají k identifikaci chorob na úrovni DNA. Patří k nim rovněž tzv. hybridizační metody, které jsou založeny na identifikaci určitých částí genomu (např. jednotlivých genů) pomocí uměle připravených úseků DNA se známou sekvencí, které se nazývají DNA-sondy. Obvykle se pro DNA-diagnostiku připravují sondy, jejichž řetězce jsou komplementární k určitému genu, skupině genů, nebo i celému chromozomu. Sonda se označuje buď fluorescenčními barvivy, které se chemicky navážou k sondě, nebo se radioaktivně označují. V tomto případě se pro tyto účely používají radiokativní izotopy vodíku (3H nebo 14C).
Hybridizace se provádí denaturací vyšetřované DNA i DNA-sondy. Po oddělení řetězců se směs ochladí, čímž se navodí reasociační podmínky. Pokud je DNA-sonda v dostatečně vysoké koncentraci, naváže se ke komplementárním sekvencím ve vyšetřované DNA dříve než původní řetězec. Na přítomnost hledané sekvence poukazuje tzv. hybridizační signál, který může být fluorescenční nebo radioaktivní podle toho, jak byla DNA-sonda označena. Pokud signál chybí, zpravidla to znamená, že je příslušný úsek DNA deletován (neexistující). Tak lze v oblasti klinické genetiky prokázat ztráty (delece) nebo naopak zmnožení (amplifikace) jednotlivých genů, popř. celých chromozomů. Tyto změny jsou vemi často příčinou celé řady závažných postižení.

Ribonukleové kyseliny RNA

Molekuly RNA jsou tvořeny (až na určité výjimky) jediným polynukleotidovým řetězcem; i v tomto stavu se však mohou vytvořit v některé části molekuly RNA páry komplementárních nukleotidů.
Cukernou složkou v RNA je D-ribóza (nikoli 2-deoxy-D-ribóza). Z dusíkatých bází je místo thyminu přítomen uracil. Nedílnou složkou RNA jsou tzv. minoritní báze (pseudouridin, hypoxantin, inosin ad.).

Typy RNA

  • m RNA (messenger RNA, informační RNA) - zprostředkovává přenos genetické informace z DNA na bílkovinu. Molekula má jednovláknovou strukturu. Velikost její molekuly závisí na počtu peptidových řetězců, jejichž vznik určuje. Prvním přepisem DNA u eukaryotických organismů vzniká heterogenní nukleová RNA (tzv. hn RNA), jejíž vlákno je podstatně delší než přepis samotného strukturního genu. Tato RNA obsahuje úseky jak kódující vznik bílkovin - exony, tak nekodující úseky - introny. Působením enzymů ribonukleáz se molekula hn RNA upravuje na funkční mRNA;
  • r RNA (ribozomální RNA) - stavební složka ribozomů. U prokaryot jsou tři různě velké rRNA, u eukaryot pak až čtyři rRNA. Struktura r RNA je jednovláknová, určité části molekuly mají strukturu dvojité šroubovice;
  • t RNA (transferové, přenosové RNA) - přenášejí aktivované aminokyseliny při proteosyntéze z cytoplazmy do místa proteosyntézy - na ribozom. V buňce existuje nejméně tolik t RNA, kolik je aminokyselin v bílkovinách, každá t RNA totiž přenáší jen jeden druh aminokyseliny.Strukturu t RNA tvoří jetelový list. Každá molekula t RNA se skládá ze tří konstantních a jedné menší (variabilní) smyčky. Smyčky obsahují minoritní báze. Na začátku t RNA je tzv. akceptorové místo pro aminokyselinu - CCA tvoří tzv. akceptorový konec t RNA, viz obr. 6. Antikodonová smyčka obsahuje antikodon, tzv. triplet, který se při proteosyntéze navazuje na příslušný kodon v molekule m RNA. Molekula t RNA je tvořena ve formě prekurzoru, který je upravován.

tRNA

Obrázek č. 6 Struktura t RNA.


Opakovací otázky:

  1. Který cukr najdeme v polynukleotidovém řetězci DNA, a který v RNA?
  2. Popiště rozdíl mezi nukleotidem a nukleosidem.
  3. Vysvětlete pojem denaturace a renaturace DNA.
  4. Jakou funkci v buňce vykonává tRNA?
  5. Jaké jsou rozdíly v komplementaritě bází u DNA a RNA?





Navigace: 4. ročník Molekulární biologie buňky Genetická informace