DNA: struktura, funkce a význam v biologii

DNA má tvar dvojité šroubovice, která je jako žebřík stočený do spirály. Každý stupeň žebříku je pár nukleotidů.

Nukleotidy

Nukleotid je molekula složená z:

• deoxyribóza, druh cukru s 5 atomy uhlíku,
• fosfátovou skupinu tvořenou fosforem a kyslíkem a
• dusíkatá báze

DNA se skládá ze čtyř typů nukleotidů:

• Adenin (A)
• Thymin (T)
• Cytosin (C)
• Guanin (G)

"Příčky" žebříku DNA jsou tvořeny vždy dvěma bázemi, přičemž z každé příčky pochází jedna báze. Báze se spojují uprostřed: "A" se páruje pouze s "T" a "C" se páruje pouze s "G". Báze drží pohromadě vodíkovými vazbami.

Adenin (A) a tymin (T) se mohou párovat, protože vytvářejí dvě vodíkové vazby, a cytosin (C) a guanin (G) se párují a vytvářejí tři vodíkové vazby. Ačkoli jsou báze vždy v pevných párech, mohou být v libovolném pořadí (A-T nebo T-A; podobně C-G nebo G-C). Tímto způsobem může DNA psát "kódy" z "písmen", kterými jsou báze. Tyto kódy obsahují zprávu, která buňce říká, co má dělat.

Chromatin

Na chromozomech je DNA spojena s bílkovinami zvanými histony a tvoří chromatin. Toto spojení se podílí na epigenetice a regulaci genů. Geny se zapínají a vypínají během vývoje a činnosti buňky a tato regulace je základem většiny činností, které v buňkách probíhají.

DNA má tvar dvojité šroubovice, která je jako žebřík stočený do spirály. Každý stupeň žebříku je pár nukleotidů.

Nukleotidy

Nukleotid je molekula složená z:

• deoxyribóza, druh cukru s 5 atomy uhlíku,
• fosfátovou skupinu tvořenou fosforem a kyslíkem a
• dusíkatá báze

DNA se skládá ze čtyř typů nukleotidů:

• Adenin (A)
• Thymin (T)
• Cytosin (C)
• Guanin (G)

"Příčky" žebříku DNA jsou tvořeny vždy dvěma bázemi, přičemž z každé příčky pochází jedna báze. Báze se spojují uprostřed: "A" se páruje pouze s "T" a "C" se páruje pouze s "G". Báze drží pohromadě vodíkovýmivazbami.

Adenin (A) a tymin (T) se mohou párovat, protože vytvářejí dvě vodíkové vazby, a cytosin (C) a guanin (G) se párují a vytvářejí tři vodíkové vazby. Ačkoli jsou báze vždy v pevných párech, mohou být v libovolném pořadí (A-T nebo T-A; podobně C-G nebo G-C). Tímto způsobem může DNA psát "kódy" z "písmen", kterými jsou báze. Tyto kódy obsahují zprávu, která buňce říká, co má dělat.

Chromatin

Na chromozomech je DNA spojena s bílkovinami zvanými histony a tvoří chromatin. Toto spojení se podílí na epigenetice a regulaci genů. Geny se zapínají a vypínají během vývoje a činnosti buňky a tato regulace je základem většiny činností, které v buňkách probíhají.

Když se DNA kopíruje, nazývá se to replikace DNA. Stručně řečeno, vodíkové vazby, které drží pohromadě párové báze, se přeruší a molekula se rozdělí na polovinu: oddělí se od sebe ramena žebříku. Vzniknou tak dvě jednotlivá vlákna. Nová vlákna vznikají spojením bází (A s T a G s C) tak, aby vznikla chybějící vlákna.

Nejprve enzym zvaný DNA helikáza rozdělí DNA uprostřed přerušením vodíkových vazeb. Poté, co je molekula DNA rozdělena na dva samostatné kusy, jiná molekula zvaná DNA polymeráza vytvoří nové vlákno, které odpovídá každému z vláken rozdělené molekuly DNA. Každá kopie molekuly DNA je tvořena polovinou původní (výchozí) molekuly a polovinou nových bází.

Mutace

Při kopírování DNA někdy dochází k chybám, které se nazývají mutace. Existují tři hlavní typy mutací:

• Delece, kdy je vynechána jedna nebo více bází.
• Substituce, kdy je jedna nebo více bází nahrazena jinou bází v sekvenci.
• Vložení, při kterém se vkládá jedna nebo více základen navíc.
• Duplikace, při níž se opakuje sekvence párů bází.

Mutace lze také klasifikovat podle jejich vlivu na strukturu a funkci proteinů nebo podle jejich vlivu na fitness. Mutace mohou být pro organismus špatné, neutrální nebo prospěšné. Někdy jsou mutace pro organismus fatální - bílkovina vytvořená novou DNA vůbec nefunguje, a to způsobí smrt embrya. Na druhou stranu se evoluce díky mutacím posouvá kupředu, když nová verze bílkoviny funguje pro organismus lépe.

Když se DNA kopíruje, nazývá se to replikace DNA. Stručně řečeno, vodíkové vazby, které drží pohromadě párové báze, se přeruší a molekula se rozdělí na polovinu: oddělí se od sebe ramena žebříku. Vzniknou tak dvě jednotlivá vlákna. Nová vlákna vznikají spojením bází (A s T a G s C) tak, aby vznikla chybějící vlákna.

Nejprve enzym zvaný DNA helikáza rozdělí DNA uprostřed přerušením vodíkových vazeb. Poté, co je molekula DNA rozdělena na dva samostatné kusy, jiná molekula zvaná DNA polymeráza vytvoří nové vlákno, které odpovídá každému z vláken rozdělené molekuly DNA. Každá kopie molekuly DNA je tvořena polovinou původní (výchozí) molekuly a polovinou nových bází.

Mutace

Při kopírování DNA někdy dochází k chybám, které se nazývají mutace. Existují čtyři hlavní typy mutací:

• Delece, kdy je vynechána jedna nebo více bází.
• Substituce, kdy je jedna nebo více bází nahrazena jinou bází v sekvenci.
• Vložení, při kterém se vkládá jedna nebo více základen navíc.
• Duplikace, při níž se opakuje sekvence párů bází.

Mutace lze také klasifikovat podle jejich vlivu na strukturu a funkci proteinů nebo podle jejich vlivu na fitness. Mutace mohou být pro organismus špatné, neutrální nebo prospěšné. Někdy jsou mutace pro organismus fatální - bílkovina vytvořená novou DNA vůbec nefunguje, a to způsobí smrt embrya. Na druhou stranu se evoluce díky mutacím posouvá kupředu, když nová verze bílkoviny funguje pro organismus lépe.

Úsek DNA, který obsahuje instrukce pro tvorbu bílkoviny, se nazývá gen. Každý gen obsahuje sekvenci pro alespoň jeden polypeptid. Bílkoviny vytvářejí struktury a také enzymy. Enzymy vykonávají většinu práce v buňkách. Bílkoviny se skládají z menších polypeptidů, které jsou tvořeny aminokyselinami. Aby bílkovina vykonala určitou práci, musí se správné aminokyseliny spojit ve správném pořadí.

Bílkoviny jsou vytvářeny malými stroji v buňce, které se nazývají ribozomy. Ribosomy se nacházejí v hlavní části buňky, ale DNA je pouze v jádře buňky. Kodon je součástí DNA, ale DNA nikdy neopouští jádro. Protože DNA nemůže opustit jádro, vytváří buňka kopii sekvence DNA v RNA. Ta je menší a může se dostat otvory - póry - v membráně jádra ven do buňky.

Geny zakódované v DNA jsou přepisovány do messengerové RNA (mRNA) pomocí proteinů, jako je RNA polymeráza. Zralá mRNA se pak používá jako předloha pro syntézu bílkovin pomocí ribozomu. Ribozomy čtou kodony, "slova" tvořená třemi páry bází, které ribozomu říkají, kterou aminokyselinu má přidat. Ribozom skenuje mRNA a čte kód, zatímco vytváří bílkovinu. Další RNA zvaná tRNA pomáhá přiřadit správnou aminokyselinu ke každému kodonu.

Úsek DNA, který obsahuje instrukce pro tvorbu bílkoviny, se nazývá gen. Každý gen obsahuje sekvenci pro alespoň jeden polypeptid. Bílkoviny vytvářejí struktury a také enzymy. Enzymy vykonávají většinu práce v buňkách. Bílkoviny se skládají z menších polypeptidů, které jsou tvořeny aminokyselinami. Aby bílkovina vykonala určitou práci, musí se správné aminokyseliny spojit ve správném pořadí.

Bílkoviny jsou vytvářeny malými stroji v buňce, které se nazývají ribozomy. Ribosomy se nacházejí v hlavní části buňky, ale DNA je pouze v jádře buňky. Kodon je součástí DNA, ale DNA nikdy neopouští jádro. Protože DNA nemůže opustit jádro, buněčné jádro vytváří kopii sekvence DNA v RNA. Ta je menší a může se dostat otvory - póry - v membráně jádra ven do buňky.

Geny zakódované v DNA jsou přepisovány do messengerové RNA (mRNA) pomocí proteinů, jako je RNA polymeráza. Zralá mRNA se pak používá jako předloha pro syntézu bílkovin pomocí ribozomu. Ribozomy čtou kodony, "slova" tvořená třemi páry bází, které ribozomu říkají, kterou aminokyselinu má přidat. Ribozom skenuje mRNA a čte kód, zatímco vytváří bílkovinu. Další RNA zvaná tRNA pomáhá přiřadit správnou aminokyselinu ke každému kodonu.

DNA poprvé izoloval (extrahoval z buněk) švýcarský lékař Friedrich Miescher v roce 1869, když se zabýval bakteriemi z hnisu v chirurgických obvazech. Molekulu nalezl v jádře buněk, a proto ji nazval nuklein.

V roce 1928 Frederick Griffith zjistil, že vlastnosti "hladké" formy pneumokoka lze přenést na "drsnou" formu téže bakterie smícháním usmrcené "hladké" bakterie s živou "drsnou" formou. Tento systém poskytl první jasný důkaz, že DNA nese genetickou informaci.

Experiment Avery-MacLeod-McCarty identifikoval DNA jako transformační princip v roce 1943.

Úloha DNA v dědičnosti byla potvrzena v roce 1952, kdy Alfred Hershey a Martha Chase v experimentu Hershey-Chase prokázali, že DNA je genetickým materiálem bakteriofága T2.

V 50. letech 20. století Erwin Chargaff zjistil, že množství thyminu (T) přítomného v molekule DNA je přibližně stejné jako množství adeninu (A). Zjistil, že totéž platí pro guanin (G) a cytosin (C). Toto zjištění shrnují Chargaffova pravidla.

V roce 1953 navrhli James D. Watson a Francis Crick v časopise Nature to, co je dnes považováno za první správný model struktury dvojité šroubovice DNA. Jejich dvoušroubovicový, molekulární model DNA byl tehdy založen na jediném rentgenovém difrakčním snímku "Photo 51", který pořídili Rosalind Franklinová a Raymond Gosling v květnu 1952.

Experimentální důkazy podporující Watsonův a Crickův model byly zveřejněny v sérii pěti článků ve stejném čísle časopisu Nature. Z nich článek Franklina a Goslinga byl prvním zveřejněním jejich vlastních dat z rentgenové difrakce a originální metody analýzy, které částečně podpořily Watsonův a Crickův model; toto číslo obsahovalo také článek o struktuře DNA od Maurice Wilkinse a jeho dvou kolegů, jejichž analýza a rentgenové vzorky B-DNA in vivo rovněž podpořily přítomnost dvoušroubovicových konfigurací DNA in vivo, jak je navrhli Crick a Watson pro svůj dvoušroubovicový molekulární model DNA na předchozích dvou stranách Nature. V roce 1962, po Franklinově smrti, obdrželi Watson, Crick a Wilkins společně Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství. Nobelovy ceny se v té době udělovaly pouze žijícím laureátům. O tom, kdo by měl získat zásluhy za tento objev, se vedou diskuse dodnes.

V roce 1957 Crick vysvětlil vztah mezi DNA, RNA a bílkovinami v ústředním dogmatu molekulární biologie.

Na to, jak se DNA kopíruje (mechanismus replikace), přišel v roce 1958 Meselson-Stahlův experiment. Další práce Cricka a jeho spolupracovníků ukázala, že genetický kód je založen na nepřekrývajících se trojicích bází, tzv. kodonech. Tyto poznatky představují zrod molekulární biologie.

O tom, jak Watson a Crick dospěli k Franklinovým výsledkům, se vedou rozsáhlé diskuse. Crick, Watson a Maurice Wilkins získali v roce 1962 Nobelovu cenu za práci na DNA - Rosalind Franklinová zemřela v roce 1958.

DNA poprvé izoloval (extrahoval z buněk) švýcarský lékař Friedrich Miescher v roce 1869, když se zabýval bakteriemi z hnisu v chirurgických obvazech. Molekulu nalezl v jádře buněk, a proto ji nazval nuklein.

V roce 1928 Frederick Griffith zjistil, že vlastnosti "hladké" formy pneumokoka lze přenést na "drsnou" formu téže bakterie smícháním usmrcené "hladké" bakterie s živou "drsnou" formou. Tento systém poskytl první jasný důkaz, že DNA nese genetickou informaci.

Experiment Avery-MacLeod-McCarty identifikoval DNA jako transformační princip v roce 1943.

Úloha DNA v dědičnosti byla potvrzena v roce 1952, kdy Alfred Hershey a Martha Chase v experimentu Hershey-Chase prokázali, že DNA je genetickým materiálem bakteriofága T2.

V 50. letech 20. století Erwin Chargaff zjistil, že množství thyminu (T) přítomného v molekule DNA je přibližně stejné jako množství adeninu (A). Zjistil, že totéž platí pro guanin (G) a cytosin (C). Toto zjištění shrnují Chargaffova pravidla.

V roce 1953 navrhli James D. Watson a Francis Crick v časopise Nature to, co je dnes považováno za první správný model struktury dvojité šroubovice DNA. Jejich dvoušroubovicový, molekulární model DNA byl tehdy založen na jediném rentgenovém difrakčním snímku "Photo 51", který pořídili Rosalind Franklinová a Raymond Gosling v květnu 1952.

Experimentální důkazy podporující Watsonův a Crickův model byly zveřejněny v sérii pěti článků ve stejném čísle časopisu Nature. Z nich článek Franklina a Goslinga byl prvním zveřejněním jejich vlastních dat z rentgenové difrakce a originální metody analýzy, které částečně podpořily Watsonův a Crickův model; toto číslo obsahovalo také článek o struktuře DNA od Maurice Wilkinse a jeho dvou kolegů, jejichž analýza a rentgenové vzorky B-DNA in vivo rovněž podpořily přítomnost dvoušroubovicových konfigurací DNA in vivo, jak je navrhli Crick a Watson pro svůj dvoušroubovicový molekulární model DNA na předchozích dvou stranách Nature. V roce 1962, po Franklinově smrti, obdrželi Watson, Crick a Wilkins společně Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství. Nobelovy ceny se v té době udělovaly pouze žijícím laureátům. O tom, kdo by měl získat zásluhy za tento objev, se vedou diskuse dodnes.

V roce 1957 Crick vysvětlil vztah mezi DNA, RNA a bílkovinami v ústředním dogmatu molekulární biologie.

Na to, jak se DNA kopíruje (mechanismus replikace), přišel v roce 1958 Meselson-Stahlův experiment. Další práce Cricka a jeho spolupracovníků ukázala, že genetický kód je založen na nepřekrývajících se trojicích bází, tzv. kodonech. Tyto poznatky představují zrod molekulární biologie.

O tom, jak Watson a Crick dospěli k Franklinovým výsledkům, se vedou rozsáhlé diskuse. Crick, Watson a Maurice Wilkins získali v roce 1962 Nobelovu cenu za práci na DNA - Rosalind Franklinová zemřela v roce 1958.

Policie ve Spojených státech používá k řešení odložených případů veřejné databáze DNA a rodokmenů. Americkáunieobčanskýchsvobod vyjádřila nad touto praxí znepokojení.

Policie ve Spojených státech používá k řešení odložených případů veřejné databáze DNA a rodokmenů. Americká unie občanských svobod vyjádřila nad touto praxí znepokojení.

• Dělení buněk
• Mitóza
• Meióza
• Oprava DNA
• Chromozom
• Analýza sekvence

• Dělení buněk
• Mitóza
• Meióza
• Oprava DNA
• Chromozom
• Analýza sekvence