Co je replikace DNA
DNA, zkratka pro deoxyribonukleovou kyselinu, je samoreplikující se materiál, který je přítomen téměř ve všech živých organismech jako hlavní složka chromozomů. Je to základní nosič genetické informace, který je přítomen prakticky v každé buňce vašeho těla.
Dvoušroubovice DNA je tvořena dvěma asymetrickými vlákny. Každé vlákno je tvořeno nukleotidy seřazenými za sebou a tyto nukleotidy jsou navázány na odpovídající nukleotidy na druhém vlákně, čímž vytvářejí strukturu podobnou žebříku. DNA se skládá ze čtyř nukleotidů – stavebních kamenů nukleových kyselin – které se skládají z dusíkaté báze, pětiuhlíkatého cukru (ribózy nebo deoxyribózy) a nejméně jedné fosfátové skupiny.
Adenin (A), tymin (T), guanin (G) a cytosin (C) se nazývají nukleotidy. A a G se nazývají puriny, zatímco T a C se nazývají pyrimidiny. Podle pravidel párování bází se A vždy páruje s T a C se vždy páruje s G.
Před zdvojením nebo dělením buňky, ať už prostřednictvím mitózy nebo meiózy, musí být DNA replikována, aby každá nová buňka dostala správný počet chromozomů. Tento proces probíhá u všech živých organismů a je základem biologické dědičnosti.
Replikace DNA probíhá v několika krocích, na kterých se podílí několik proteinů nazývaných replikační enzymy a také RNA. Replikace DNA je nezbytná pro růst, opravy a reprodukci buněk organismů.
Kroky replikace DNA
Existují tři hlavní kroky replikace DNA: iniciace, elongace a terminace.
Aby se DNA vešla do buněčného jádra, je zabalena do pevně svinutých struktur zvaných chromatin, které se před replikací uvolní a umožní replikačnímu aparátu buňky přístup k vláknům DNA.
Před zahájením replikace DNA se musí „rozbalit“ struktura dvojité šroubovice molekul DNA. Nedílnou součástí tohoto procesu je enzym helikáza, který rozbíjí vodíkové vazby, jež drží komplementární báze DNA pohromadě (A s T a C s G). Oddělení vytvoří tvar písmene „Y“, kterému se říká replikační vidlička, a dvě jednoduchá vlákna DNA nyní slouží jako šablony pro tvorbu nových vláken DNA.
Následující protein SSB (Single-Stranded DNA Binding Protein) se naváže na nyní jednořetězcovou DNA, čímž zabrání opětovnému spojení oddělujících se vláken.
Dvě vlákna dvoušroubovice DNA jsou spojena příčnými tyčemi, zkroucenými dokola. Aby to fungovalo, probíhá každé vlákno DNA v opačném směru.
Jedno z vláken je orientováno ve směru od 3′ k 5′ (směrem k replikační vidličce), jedná se o vedoucí vlákno. Druhé vlákno je orientováno ve směru 5′ až 3′ (směrem od replikační vidličky), jedná se o zaostávající vlákno.
Protože enzym, který provádí replikaci, polymeráza DNA, funguje pouze ve směru 5′ až 3′, znamená to, že dceřiná vlákna se syntetizují různými způsoby, jedno přidává nukleotidy jeden po druhém ve směru replikační vidličky, druhé je schopno přidávat nukleotidy pouze po částech. První vlákno, které replikuje nukleotidy po jednom, je vedoucí vlákno; druhé vlákno, které replikuje po částech, je opožděné vlákno.
Znaky 5′ a 3′ znamenají „pět prvočísel“ a „tři prvočísla“, které označují počty uhlíků v cukerné páteři DNA. Tato čísla označují chemickou orientaci od konce ke konci, přičemž čísla 5 a 3 představují pátý, respektive třetí atom uhlíku cukerného kruhu. Na uhlík 5′ je navázána fosfátová skupina a na uhlík 3′ hydroxylová skupina (-OH). Právě tato asymetrie dává vláknu DNA „směr“ a umožňuje snadnou vazbu mezi nukleotidy opačných vláken.
Je důležité si uvědomit, že obě strany jsou replikovány dvěma různými procesy, aby se přizpůsobily rozdílu ve směru.
| Vedoucí vlákno | Odstupující vlákno |
| Krátký kousek RNA zvaný primer, který je vytvářen enzymem zvaným primáza, se váže na konec vedoucího vlákna ve směru 5′ až 3′. Primer slouží jako výchozí bod pro syntézu DNA.
Enzymy zvané DNA polymerázy vytvářejí nové komplementární nukleotidové báze (A,C, G a T) a jsou zodpovědné za vytvoření nového vlákna procesem zvaným elongace. V eukaryotických buňkách se na replikaci DNA podílejí především polymerázy alfa, delta a epsilon. Tento druh replikace se nazývá „kontinuální“. |
Zpožďující se vlákno začíná proces replikace tím, že se na různých místech podél zpožďujícího se vlákna váže s několika primery RNA, tgenerovanými enzymem primázou.
Kusy DNA, nazývané Okazakiho fragmenty, se přidávají k zaostávajícímu vláknu mezi primery, rovněž ve směru 5′ až 3′. Tento typ replikace se nazývá „diskontinuální“, protože Okazakiho fragmenty bude třeba později spojit. |
Po vytvoření kontinuálního i diskontinuálního vlákna enzym zvaný exonukleáza odstraní z původních vláken všechny RNA primery. Mezery, v nichž se nacházel(y) primer(y), jsou pak vyplněny dalšími komplementárními nukleotidy.
Další enzym „kontroluje“ nově vzniklá vlákna, aby se ujistil, že v nich nejsou žádné chyby.
Enzym DNA ligáza pak spojí Okazakiho fragmenty dohromady a vytvoří jediné jednotné vlákno.
Speciální typ enzymu DNA polymerázy zvaný telomeráza katalyzuje syntézu telomerových sekvencí na koncích DNA. Telomery jsou oblasti opakujících se nukleotidových sekvencí na každém konci chromatidy, které chrání konec chromozomu před poškozením nebo před splynutím se sousedními chromozomy. Představte si uzávěry tkaniček. Telomery jsou také biomarkerem stárnutí, přičemž telomery se zkracují s každým buněčným dělením nebo jinými slovy s postupujícím věkem. Jak se telomery buňky zkracují, ztrácí schopnost normálně fungovat. Kratší telomery vás v podstatě činí náchylnějšími k řadě onemocnění, jako je rakovina nebo kardiovaskulární choroby.
Nakonec se mateřské vlákno a jeho komplementární vlákno DNA svinou do známého tvaru dvojité šroubovice. Výsledkem jsou dvě molekuly DNA složené z jednoho nového a jednoho starého řetězce nukleotidů. Každá z těchto dvou dceřiných šroubovic je téměř přesnou kopií rodičovské šroubovice (v důsledku mutací není stoprocentně stejná).
Lidský genom – tedy kompletní soubor genů přítomných v jádře buňky – se skládá ze 3 miliard párů bází. Je pozoruhodné, že kopírování něčeho tak nesmírně dlouhého trvá našemu biologickému aparátu velmi krátkou dobu. Každá buňka dokončí celý proces za pouhou hodinu!