Replikácia DNA: Proces zdvojenia genetickej informácie

Replikácia DNA alebo reduplikácia - zdvojenie DNA je proces, pri ktorom sa z materskej molekuly DNA (deoxyribonukleovej kyseliny) vytvoria dve rovnaké dcérske molekuly DNA. Genetická informácia sa replikáciou prenáša z jednej molekuly DNA (templát, matrica) do inej rovnakej molekuly (tzv. Celý proces je semikonzervatívny, tzn. každá novo vytvorená molekula DNA má jeden reťazec z pôvodnej molekuly a jeden nový, syntetizovaný.

Pri replikácii dochádza pomocou zložitého enzymatického procesu k radeniu deoxyribonukleotidov (základných stavebných častíc DNA) jeden za druhým, a to podľa vzorovej pôvodnej molekuly DNA. Výsledkom tohto radenia nukleotidov je nakoniec kompletná DNA daného organizmu, v podstate identická kópia pôvodnej DNA. Do tajomstva tohto procesu začali vedci bližšie prenikať až v 60. a 70. rokoch minulého storočia a dodnes boli odhalené do pomerne veľkých podrobností molekulárne pochody, ktoré sa pri replikácii odohrávajú. Je napríklad známe, že u baktérií prebieha replikácia mierne odlišne, ako u eukaryotických organizmov, ako je napríklad človek, rastliny či huby.

U baktérií sa chybovosť pri replikácii odhaduje na jednu chybu za 10⁹-10¹⁰ nukleotidov (po prebehnutom proofreadingu a korekcii párovania báz, tzv. mismatch repair). Oprava DNA je zrejme dôvod, prečo pracuje DNA polymeráza len v jednom smere (tzv.

Rýchlosť replikácie genómu je u baktérie druhu Escherichia coli asi 50 000 báz za minútu, zatiaľ čo u eukaryotov je omnoho nižšia. U pivnej kvasinky je to 3 600 báz za minútu, u myši len 2 200 báz za minútu. Hoci eukaryoty majú viacero začiatok miest replikácie (kvasinka 400, myš okolo 2 500), napriek tomu je tempo replikácie ich genómu pomalšie.

Pri replikácii DNA vznikajú v typickom prípade z jednej dvojzávitnice DNA dve dvojzávitnice. Replikácia je tzv. semikonzervatívna, čo znamená, že každý nový DNA reťazec sa skladá z jedného starého vlákna a jedného nového vlákna. Do celého procesu je zapojených množstvo enzýmov, predovšetkým DNA polymeráza, ďalej napr. DNA ligáza, helikáza či topoizomeráza. Každé z vlákien pôvodnej dvojzávitnice sa replikuje odlišným spôsobom z toho dôvodu, že molekula DNA je tzv. antiparalelná. Zjednodušene povedané, skladá sa z dvoch vlákien, každé však „beží“ opačným smerom. DNA polymeráza však dokáže pracovať len v jednom smere, čo je v bunke vyriešené elegantným spôsobom. V každom prípade však dochádza k tomu, že je podľa vzoru (pôvodná DNA) vytváraná nová DNA, ktorá je k pôvodnému reťazcu komplementárna. To znamená, že keď je v pôvodnej DNA detegovaná báza adenín, na novú DNA sa pridá nukleotid obsahujúci tymín (a naopak).

Iniciácia replikácie

Iniciácia - rozpletenie dvojzávitnice DNA, vznik tzv. Replikácia sa nezačína na náhodnom mieste genómu, ale na presne určenom mieste, ktoré sa označuje ako replikačný začiatok. Na replikáciu je na začiatku potrebná krátka molekula RNA s dĺžkou 10 - 200 nukleotidov, tzv. primer (čítaj prajmer). Túto sekvenciu vytvára špeciálny RNA-polymerizačný enzým označovaný ako primáza. Primer sa síce neskôr odstráni a nahradí DNA, ale hrá významnú úlohu v iniciácii replikácie. Celý replikačný proces totiž začína nukleofilným atakom 3'-hydroxylovej skupiny tohto primeru na fosfátovú skupinu prvého deoxyribonukleotidu. Ďalej sa už deoxyribonukleotidy viažu na 3' uhlík predchádzajúceho deoxyribonukleotidu a nie na primer; ten má teda iba jednorazovú úlohu (to sa však netýka tzv.

Vzniku replikačnej vidlice sa zúčastňujú hexamérické enzýmy helikázy, schopné oddialiť obe molekuly dvojzávitnice a vytvoriť charakteristickú štruktúru v tvare písmena Y, aby medzi nimi vznikol priestor pre syntézu DNA. Udržať vlákna od seba oddelené pomáhajú proteíny SSB proteíny. Helikázy však síce oddialia obe vlákna, ale dvojzávitnica sa na konci replikačnej vidlice čím ďalej tým viac uťahuje a vzniká tam príliš veľký tlak. Potom, čo je pôvodná dvojzávitnica DNA rozvinutá a na jej vlákna prisadnú DNA polymerázy, je možné začať samotnú replikáciu. Aby v priebehu tejto činnosti DNA polymeráza pevne držala na svojom mieste, pomáhajú jej k tomu tzv.

Dôležitý je fakt, že každé z vlákien pôvodnej templátovej DNA sa replikuje odlišným spôsobom. Dôvodom je skutočnost, že každá známa DNA polymeráza je schopná pracovať len v smere 5'->3', teda od piateho uhlíka deoxyribózy. Tento enzým totiž vie pripojiť nové nukleotidy iba na 3' uhlík deoxyribózy. Toto obmedzenie dosť komplikuje celý proces, pretože DNA je antiparalelná, teda jeden jej reťazec smeruje 5'->3' smerom, ale druhý 3'->5' smerom. Bunky tento problém riešia tak, že po jenom reťazci (tzv. vedúcom reťazci, angl. leading strand) postupuje DNA polymeráza celkom bežným spôsobom. Druhý reťazec, ktorý je orientovaný v smere 3'->5', sa označuje ako oneskorujúci sa reťazec (angl. lagging strand).

Tento reťazec sa však musí zreplikovať tiež v 5'->3' smere, a tak DNA polymeráza replikuje tento reťazec po malých častiach, tzv. Okazakiho fragmentoch s dĺžkou asi 100 - 200 nukleotidov (ale u prokaryotov sú tieto fragmenty asi 10-krát dlhšie). Replikácia končí vtedy, keď je zhotovená kópia celej DNA. U baktérií sa v tomto okamihu zídu obe replikačné vidlice a splynú spolu, u eukaryotov splývajú replikačné vidlice vtedy, keď dosyntetizujú „svoju“ časť genómu. Pretože eukaryotické chromozómy sú lineárne, DNA polymerázy nie sú schopné replikovať ich koncové časti, tzv. teloméry, a tak je ich replikovaná DNA nepatrne kratšia, než pôvodná.

Replikácia u prokaryotov

Replikácia u prokaryotov je relatívne dobre preskúmaná, pretože baktérie (a ich menší genóm) predstavujú jednoduchší model než komplexné eukaryotické organizmy. Dôležitá je skutočnosť, že prokaryoty obvykle majú kruhovú molekulu DNA, tzv. Baktéria Escherichia coli má jediný replikačný začiatok, a to v génovom lokuse zvanom OriC. Z tohto miesta sa pohybujú oboma smermi replikačné vidlice, v ktorých dochádza k syntéze DNA podľa vzoru.

Hlavnou polymerázou baktérií je DNA polymeráza III obsahujúca veľké množstvo rôznych podjednotiek. Pretože z lokusu OriC boli vyslané dve replikačné vidlice po kruhovej molekule DNA, tieto vidlice sa logicky stretnú približne „na polceste“ dookola. Asi 100 kB od tohto stredu sa nachádzajú terminačné (ukončovacie) oblasti o dĺžke 23 párov báz. Tieto terminačné sekvencie existujú celkove štyri (dve na každom z vlákien dvojzávitnice) a označujú sa TerA, TerB, TerC a TerD.

Replikácia mitochondriálnej DNA a plastidovej DNA sa veľmi podobá na replikáciu DNa u prokaryotov. Zato archebaktérie (Archaea), ktoré sú zaradené medzi prokaryota, vykazujú pomerne značné rozdiely v porovnaní s replikáciou baktérií. Zatiaľ čo u baktérií replikácia prebieha len z jedného replikačného začiatku, u archeí je týchto miest spravidla viac (podobne ako u eukaryotov).

Eukaryotické genómy sú vo všeobecnosti väčšie než prokaryotické, čomu musí byť prispôsobený celý proces replikácie. Na rozdiel od baktérií, ktoré majú iba jeden replikačný začiatok (miesto, v ktorom začína replikácia), eukaryoty majú viac replikačných začiatkov. U kvasinky Saccharomyces cerevisiae sa tieto replikačné začiatky označujú ARS a je ich okolo 400 (u obojživelníkov však ich je až 15 000). Z týchto replikačných začiatkov smerujú oboma smermi replikačné vidlice v tvare písmena Y.

V replikácii eukaryotického genómu zrejme hrá úlohu väčšie množstvo rôznych proteínov. Príkladom je situácia u SSB proteínov: u baktérií sú tieto „stabilizátory jednovláknovej DNA“ zložené z jedinej podjednotky, u eukaryotov sa skladajú z troch podjednotiek. Situácia je zložitejšia aj čo sa týka počtu DNA polymeráz. U eukaryotov ich bolo nájdených najmenej 15. DNA polymeráza α obsahuje podjednotku, ktorá funguje ako primáza, a je schopná vytvoriť na začiatku každého Okazakiho fragmentu RNA primer, pričom k nemu pridá niekoľko DNA nukleotidov. Potom zrejme uvoľní miesto na 3' konci predlžujúceho sa reťazca DNA polymeráze δ.

Vírusy, ktoré stoja na hranici živého a neživého, majú pomerne špecifický typ replikácie DNA, odvíjajúci sa od ich parazitického spôsobu života. Toto sa netýka tzv. RNA vírusov, v ktorých rozmnožovacom cykle DNA molekuly vôbec nefigurujú. DNA replikácia sa teda týká výhradne DNA vírusov. Niektoré DNA vírusy obsahujú jednovláknovú DNA, a tak po infekcii musí najprv dôjsť k syntéze komplementárneho vlákna, aby vznikla klasická dvojzávitnica. U vírusov sa vyskytuje pomerne veľké množstvo ďalších odchýliek od bežnej schémy DNA replikácie.

Čo sa týka Polyomavírusu, ktorý infikuje eukaryotické bunky, jeho DNA je replikovaná takmer rovnako ako vlastný eukaryotický genóm. Dôvod je jednoduchý: vírusy zneužívajú hostiteľské DNA polymerázy a celý ich enzymatický aparát. Jediný rozdiel spočíva v tom, že u Polyomavírusu musí dôjsť k naviazaniu tzv.

Molekula DNA (kyselina deoxyribonukleová) je tvorená dvoma polynukleotidovými reťazcami. Řetězce jsou vůči sobě antiparalelní - jeden řetězec má směr fosfodiesterových vazeb 5' » 3' a druhý 3' » 5' - hovoříme o 3' případně 5' konci. Struktura je tvořena třemi složkami - cukr, fosfát, báze. Cukernou složku tvoří pěti uhlíkový cukr 2-deoxy-D-ribosa (oproti normální ribóze u DNA v poloze 2' chybí kyslík). Obě polynukleotidová vlákna (primární struktura DNA) vytvářejí nejčastěji pravotočivou šroubovici označovanou jako double helix (sekundární struktura DNA) → nejčastěji se vyskytující formou je B-forma DNA = pravotočivá. DNA molekuly se mohou vyskytovat ještě v pravotočivé formě A a v levotočivé formě Z.

1. Zvláštní typy DNA mají specifické funkce v chromosomech, např. U eukaryot přibližně 60 % DNA tvoří jedinečné (nebo málo se opakující) sekvence - patří sem například geny kódující polypeptidy nebo jim podobné nefunkční pseudogeny. Dalšími zastoupenými jsou repetitivní sekvence. sekvence středně repetitivní- počet kopií v genomu 10-105 (patří sem např.

Repetitivní sekvence mohou být v genomu rozptýlené. Krátké repetitivní sekvence se označují jako SINE (Short Interspersed Nuclear Elements). Většina SINE je odvozována od tRNA genů → jejich vznik je vysvětlován repozicí (přepisem) z RNA reverzní transkriptasou. Pro primáty jsou specifické tzv. Alu-sekvence, kdy téměř každý 4kb úsek lidské DNA obsahuje tuto sekvenci - jejich původem je 7SL DNA. Jinou možností jsou tzv. tandemové repetitivní sekvence, kdy jednotlivá opakování jsou za sebou - např.:geny pro rRNA či tzv.

2. U člověka se nachází v mitochondriích.Uspořádání genomu mitochondrií je odlišné od jaderného genomu eukaryotické buňky, ovšem je podobné uspořádání genomu u prokaryot. DNA má v mitochondriích cirkulární uspořádání. U člověka má velikost 16,6 kb. V lidském genomu kóduje celkem 37 genů - z toho 24 genů se podílí na proteosyntetickém aparátu mitochondrií - geny 16S a 23S pro rRNA, 22 genů pro tRNA. Zbývající se podílejí na enzymatické výbavě mitochondrií. Většina genů je kódována na H (těžkém) vlákně DNA. Informace je poměrně silně komprimována, neobsahuje introny!

Replikace DNA je přenos informace z DNA do DNA. Při replikaci vzniknou z jedné mateřské molekuly DNA dvě naprosto stejné dceřiné DNA - každá s jedním vláknem z původní DNA, jedná se tedy o semikonzervativní proces, kdy nově vzniklá dvoušroubovice má vždy jedno vlákno původní a druhé vlákno nově syntetizované. Uplatňuje se při rozmnožování, kdy zajišťuje identitu genetické informace obou dceřiných buněk (pro rozmnožování je nezbytné, aby potomek dostal plnohodnotnou genetickou informaci). Místa, kde dochází k replikaci, se nazývají replikony. Počet replikonů v buňce není konstantní, u rychle se množících buněk je jich více než u buněk množících se pomalu. Replikace neprobíhá na všech replikonech současně, obecně v replikonech lokalizovaných v heterochromatinu začíná později. Klíčovou roli při replikaci DNA mají enzymy zvané DNA polymerázy. potřebují mít k dispozici volný konec 3' nukleotidu, na který připojí fosfodiesterickou vazbou 5' místo nově zařazeného nukleotidu. aby DNA polymeráza mohla zahájit připojování nukleotidů nového vlákna DNA, musí být vodíkové můstky (tj. Místa, která po narušení helikázou vzniknou, jsou označovány jako replikační počátky. Replikační počátky jsou tvořeny specifickými sekvencemi nukleotidů, které jsou rozpoznávány iniciačními proteiny(iniciační faktory). Pro snadné oddělování řetězců obsahují tyto sekvence vysoký podíl adeninu a thyminu. Vzhledem k tomu, že jsou obě vlákna DNA antiparalelní (konci 5' jednoho vlákna odpovídá konec 3' vlákna druhého) a vzhledem k tomu, že DNA polymeráza syntetizuje „jednosměrně“ (od 5' k 3'), může souvisle probíhat replikace pouze na jednom vlákně.Na tomto vlákně tedy replikace (kterou provádí δ-polymeráza) probíhá rychleji a vlákno se označuje jako vlákno vedoucí.Na druhém (opožděném) vlákně probíhá replikace po částech - tzv.

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). Transkripce je přepis genetické informace z DNA do molekuly RNA. Jejich prostřednictvím je genová exprese přizpůsobována potřebám buňky či celého organismu (např.

DNA tvorí genetickú informáciu každej eukaryotickej aj prokaryotickej bunky (okrem niektorých špecializovaných typov rastlinných a živočíšnych buniek, ktoré nemajú žiadnu genetickú informáciu) a RNA-vírusov, ktorým sa v tomto článku nebudem venovať. U všetkých organizmov má rovnaké chemické zloženie (fosfosacharidová kostra, dusíkaté bázy - adenín, tymín, guanín, cytozín) a štruktúru. V prokaryotickej bunke nie je genetická informácia oddelená od zvyšku cytoplazmy jadrovou membránou. Oblasť, v ktorej sa DNA nachádza, sa označuje ako nepravé jadro alebo nukleoid. DNA prokaryot predstavuje jednu dvojvláknovú kruhovú molekulu, ktorá sa často zvykne nazývať bakteriálny chromozóm, ale netreba si ho mýliť s typickým eukaryotickým chromozómom. U baktérie Escherichia coli má veľkosť 4,6 × 10⁶ bázových párov, čo predstavuje dĺžku ~1,5 mm. DNA v bunke nadobúda kompaktnú terciárnu štruktúru mnohonásobným zbalením molekuly, ktoré však nesúvisí s histónmi typickými pre eukaryotické bunky. Tu však treba rozlišovať medzi baktériami a archeónmi, ktoré napriek prokaryotickej cytológii históny majú.

Okrem chromozómu vlastní takmer každá prokaryotická bunka niekoľko plazmidov, ktoré sa definujú ako doplnkové genetické elementy. Môžu ich mať aj niektoré nižšie eukaryoty (napr. niektoré kvasinky). Sú to taktiež kruhové molekuly DNA ale podstatne menšie ako chromozóm. Plazmidy spravidla nesú gény, ktoré svojim nositeľom dávajú určité výhody nad konkurenciou (napr. gény rezistencie voči antibiotikám). Jadrová DNA eukaryot na rozdiel od prokaryotického chromozómu je oddelená od metabolických procesov prebiehajúcich v cytoplazme dvojitou jadrovou membránou. Členená je spravidla do viacerých chromozómov, ktoré sa počas bunkového delenia správajú ako samostatné elementy. Eukaryotická DNA je dvojvláknová a lineárna, len výnimočne kruhová. Eukaryotické organizmy sú väčšinou diploidné, tzn. že chromozómy sa nachádzajú v pároch. Takéto homologické chromozómy obsahujú rovnaké väzbové skupiny génov a môže medzi nimi prebiehať rekombinácia, ktorá je do značnej miery u prokaryot obmedzená. Homologické chromozómy teda obsahujú dve "verzie" alebo alely z každého génu. Ak je medzi týmito alelami vzťah, ktorý z genetiky možno označiť ako dominantný, nemusia sa recesívne alely génu fenotypovo prejaviť. Relaxovaná ľudská DNA všetkých 46 chromozómov meria dokopy ~1,8 m do dĺžky a široká je len 2 nm. Naproti tomu chromozómy, ktoré sú viditeľné počas bunkového delenia, majú v priemere len 1,3-10 µm. To predstavuje ~10 000-násobnú kondenzáciu DNA, ku ktorej dochádza na viacerých úrovniach:

V prvom rade je zbalenie DNA umožnené vďaka špeciálnym proteínom - histónom. Niekoľko mierne odlišných histónov vytvára "súdok", okolo ktorého sa DNA dokáže približne 2× obtočiť. Táto spoločná štruktúra DNA+históny (nukleohistónový komplex, skrátene nukleohistón) sa nazýva nukleozóm a tvorí základnú štruktúrnu jednotku eukaryotického chromatínu. Po celej dĺžke molekuly DNA sa nachádza veľké množstvo nukleozómov v tesných vzdialenostiach medzi sebou tvoriac tak nukleozómové vlákno o priemere ~10 nm. Úspora dĺžky DNA je približne 6-násobná.Ďalšia kondenzácia spočíva v zhustení samotných nukleozómov do kompaktnejších štruktúr. Umožňuje to ďalší typ histónu, ktorý nie je súčasťou 10 nm nukleozómového vlákna. Až s jeho prítomnosťou dochádza k veľmi tesnému spojeniu susediacich nukleozómov a výsledkom je vlákno široké 30 nm. Pri tomto stupni kondenzácie je DNA skrátená zhruba 40-násobne oproti relaxovanej forme.

Napokon prichádzajú do hry proteíny, ktoré tvoria tzv. chromozómové lešenie (angl. scaffold). Sú to nehistónové proteíny, ktoré vytvoria akýsi podklad, ku ktorému sa 30 nm vlákno s DNA prichytí na viacerých miestach, pričom voľné vlákna vytvoria slučky smerujúce od lešenia do všetkých strán. Podrobné znalosti o týchto štruktúrach ani o ďalšom priebehu vinutia DNA nie sú známe, pretože ich preskúmanie je do značnej miery technicky obtiažne. Na jeho konci je kondenzovaný metafázny chromozóm, ktorý je asi 10 000× kratší a 400× hrubší ako je nahá DNA.

Históny obsahujú veľký pomer zásaditých aminokyselín, hlavne lyzínu a arginínu, čo je hlavný dôvod, prečo viažu záporne nabitú DNA. V nukleozóme sú zastúpené štyri typy histónov, z každého typu po dve molekuly: 2×H2A, 2×H2B, 2×H3 a 2×H4. Okrem jadra sa DNA u takmer všetkých eukaryotov nachádza aj v mitochondriách a u rastlín aj v chloroplastoch. Svojou organizáciou sa jedná o DNA prokaryotického typu, čo súvisí s evolúciou týchto bunkových organel. V oboch prípadoch je špiralizovaná bez asociácie so štruktúrnymi proteínmi (históny a pod.) a je prítomná v organele vo viacerých kópiách. Mitochondriálna DNA je dvojvláknová a väčšinou kruhová, u niektorých jednobunkovcov a niektorých húb lineárna. Jej veľkosť je do 20 tisíc bázových párov u živočíchov, 80 tisíc bázových párov u kvasiniek a 100 tisíc až 2 milióny bázových párov u rastlín. Chloroplastová DNA je dvojvláknová, vždy kruhová. V priemere je väčšia ako mitochondriálna, s dĺžkou 80-600 tisíc bázových párov. Medzidruhové rozdiely vo veľkosti mitochondriálnej a chloroplastovej DNA sú v prítomnosti intrónov; genetický obsah je takmer identický.

Tabuľka: Rozdiely v replikácii DNA medzi prokaryotmi a eukaryotmi

Schéma replikácie DNA.

tags: #velkost #fragmentu #DNA #kuracej #pecene

Populárne príspevky:

• Všetko o rajčinovom pretlaku
• Hodnotenia pekárne Peter Lipka v Bratislave
• Inšpirácie pre koláče
• Bravčové plátky s tymianom a olivami
• Tipy pre Vypražené Bravčové Karé