19.3:

Cíle učení

1. Uveďte tři základní části deoxyribonukleotidu.
2. Uveďte, které dusíkaté báze jsou puriny a které pyrimidiny.
3. Definujte komplementární párování bází.
4. Uveďte, proč může být DNA syntetizována pouze ve směru 5′ až 3′.
5. Srovnejte prokaryotický nukleoid s eukaryotickým jádrem z hlediska následujících skutečností:
   1. počet chromozomů
   2. lineární nebo kruhové chromozomy
   3. přítomnost nebo nepřítomnost jaderné membrány
   4. přítomnost nebo nepřítomnost nukleozomů
   5. přítomnost nebo nepřítomnost mitózy
   6. přítomnost nebo nepřítomnost meiózy

Prokaryotický (bakteriální) genom

Oblast uvnitř bakterie, kde lze chromozom vidět elektronovým mikroskopem, se nazývá nukleoid. Chromozom většiny prokaryot je obvykle jedna dlouhá, jediná molekula dvouvláknové, šroubovicové, převinuté DNA, která tvoří fyzický a genetický kruh. Chromozom je obvykle dlouhý asi 1000 µm a často obsahuje asi 4000 genů (obrázek \(\PageIndex{8}\)). Escherichia coli, která je dlouhá 2-3 µm, má chromozom dlouhý přibližně 1400 µm. Aby se takto velká makromolekula vešla do bakterie, vážou se na DNA proteiny podobné histonům, které rozdělují molekulu DNA na přibližně 50 chromozomálních domén a činí ji kompaktnější. Enzym DNA topoizomeráza zvaný DNA gyráza pak chromozom svinuje do těsného svazku a vytváří kompaktní, svinutou hmotu DNA o průměru přibližně 0,2 µm.

Bakteriální enzymy nazývané topoizomerázy DNA jsou nezbytné pro odvíjení, replikaci a převíjení kruhové, superzávitové bakteriální DNA (obrázek \(\PageIndex{7}\)). Jsou také nezbytné při přepisu DNA do RNA, při opravách DNA a při genetické rekombinaci v bakteriích.

Obrázek \(\PageIndex{7}\): Kruhová, superzávitová prokaryotická DNA. Aby se velká molekula DNA vešla do bakterie, enzym DNA topoizomeráza zvaný DNA gyráza stočí chromozom do těsného svazku a vytvoří kompaktní, superzavinutou hmotu DNA o průměru přibližně 0,2 µm.

Prokaryotický nukleoid nemá jadernou membránu obklopující DNA a jaderné tělo se nedělí mitózou. Cytoplazmatická membrána hraje roli při oddělování DNA během bakteriální replikace. Protože bakterie jsou haploidní (mají pouze jeden chromozom), nedochází u nich ani k meióze.

Eukaryotický genom

Prokaryotické a eukaryotické buňky se velmi podrobně liší jak v množství, tak v uspořádání molekul DNA. Eukaryotické buňky obsahují mnohem více DNA než bakterie a tato DNA je uspořádána jako několik chromozomů umístěných v jádře.

Jádro eukaryotických buněk je obklopeno jadernou membránou (obrázek \(\PageIndex{7}\)) a obsahuje lineární chromozomy složené ze záporně nabité DNA spojené s kladně nabitými základními proteiny zvanými histony, které tvoří struktury známé jako nukleozomy. Nukleosomy jsou součástí tzv. chromatinu, DNA a proteinů, které tvoří chromosomy. Jádro se dělí mitózou a haploidní pohlavní buňky vznikají z diploidních buněk meiózou.

DNA v eukaryotických buňkách je zabalena vysoce organizovaným způsobem. Skládá se ze základní jednotky zvané nukleozom, struktury podobné korálku o průměru 11 nm, která se skládá ze 146 párů bází DNA omotaných kolem osmi molekul histonu. Nukleosomy jsou navzájem spojeny úsekem DNA dlouhým přibližně 60 párů bází, který se nazývá linkerová DNA (obrázek \(\PageIndex{9}\)). Další histon spojený s linkerovou DNA pak balí sousední nukleotidy dohromady a vytváří vlákno nukleozomu o průměru 30 nm. Nakonec tato zabalená nukleozomová vlákna vytvoří velké stočené smyčky, které jsou drženy pohromadě nehistonovými scaffoldingovými proteiny. Tyto stočené smyčky na scaffoldingových proteinech interagují a vytvářejí kondenzovaný chromatin, který je vidět na chromozomech během mitózy (obrázek \(\PageIndex{10}\)).

V posledních letech bylo zjištěno, že strukturní povaha deoxyribonukleoproteinu přispívá k tomu, zda se DNA přepisuje do RNA. Například chemické změny chromatinu mohou umožnit, aby se jeho části kondenzovaly nebo uvolnily. Pokud je oblast kondenzovaná, geny nemohou být přepsány. Kromě toho se chemické látky mohou navázat na histonové bílkoviny, kolem nichž se DNA obtáčí, nebo z nich být odstraněny. Připojení nebo odstranění těchto chemických skupin k histonu určuje, zda je exprese genů v okolí zesílena nebo potlačena.

Epigenom označuje různé chemické sloučeniny, které modifikují genom obvykle přidáním methylové (CH3) skupiny k nukleotidové bázi adeninu na určitých místech podél molekuly DNA. Tato metylace může následně buď potlačit, nebo aktivovat transkripci specifických genů. Tím, že epigenom v podstatě zapíná nebo vypíná geny, umožňuje genomu komunikovat s okolím buňky a reagovat na něj. Epigenom se může dědit stejně jako genom.

Shrnutí

1. Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je dlouhá dvouřetězcová šroubovicová molekula složená ze stavebních bloků zvaných deoxyribonukleotidy.
2. Deoxyribonukleotid se skládá ze tří částí: molekuly pětiuhlíkatého cukru deoxyribózy, dusíkaté báze a fosfátové skupiny.
3. V DNA se nacházejí čtyři dusíkaté báze: adenin, guanin, cytosin nebo tymin. Adenin a guanin jsou známé jako purinové báze, zatímco cytosin a tymin jsou známé jako pyrimidinové báze.
4. Deoxyribóza je pětiuhlíkatý cukr s kruhem. Pět uhlíků je kolem cukru očíslováno postupně ve směru hodinových ručiček. První 4 uhlíky ve skutečnosti tvoří kruh cukru, přičemž 5′ uhlík vychází ze 4′ uhlíku v kruhu. Dusíkatá báze nukleotidu je navázána na 1′ uhlík cukru a fosfátová skupina je vázána na 5′ uhlík.
5. Při syntéze DNA může enzym DNA polymeráza připojit fosfátovou skupinu nového deoxyribonukleotidu pouze na 3′ uhlík nukleotidu, který již v řetězci je.
6. Během replikace DNA slouží každé rodičovské vlákno jako šablona pro syntézu druhého vlákna prostřednictvím komplementárního párování bází.
7. Komplementární párování bází se týká nukleotidů DNA s bází adenin, které vytvářejí vodíkové vazby pouze s nukleotidy s bází thymin (A-T). Stejně tak nukleotidy s bází guanin mohou vytvářet vodíkové vazby pouze s nukleotidy s bází cytosin (G-C).
8. Když jsou obě vlákna DNA komplementární, jsou vůči sobě orientována opačným směrem. Říká se, že jedno vlákno vede od 5′ ke 3′; opačné vlákno DNA vede antiparalelně neboli od 3′ k 5′.
9. V prokaryotických buňkách není kolem DNA jaderná membrána. V prokaryotických buňkách chybí mitóza a meióza.
10. Aby se takto velká makromolekula vešla do bakterie, vážou se na DNA bílkoviny podobné histonům, které rozdělují molekulu DNA na přibližně 50 chromozomálních domén a činí ji kompaktnější. Poté enzym zvaný DNA gyráza navine každou doménu kolem sebe a vytvoří kompaktní, navinutou hmotu DNA. Topoizomeráza zvaná DNA gyráza katalyzuje negativní supercoiling kruhové DNA, která se vyskytuje u bakterií. Topoizomeráza IV se naopak podílí na uvolnění superzavinuté kruhové DNA, což umožňuje oddělení propojených dceřiných chromozomů na konci replikace bakteriální DNA.
11. DNA v eukaryotických buňkách je zabalena do základních jednotek zvaných nukleozomy, což je struktura podobná korálkům, která se skládá z DNA omotané kolem osmi molekul histonu. DNA je uspořádána jako několik chromozomů umístěných v jádře obklopeném jadernou membránou. Jádro se dělí mitózou a gamety vznikají meiózou u eukaryot rozmnožujících se pohlavně.
12. Strukturní povaha deoxyribonukleoprteinu přispívá k tomu, zda se DNA přepisuje do RNA. Například chemické změny chromatinu mohou umožnit, aby se jeho části kondenzovaly nebo uvolnily. Pokud je oblast kondenzovaná, geny nemohou být přepsány. Kromě toho se chemické látky mohou navázat na histonové bílkoviny, kolem nichž se DNA obtáčí, nebo z nich být odstraněny. Připojení nebo odstranění těchto chemických skupin k histonu rozhoduje o tom, zda se exprese blízkého genu zesílí, nebo potlačí.

Přispěvatelé a atributy

• Dr. Gary Kaiser (COMMUNITY COLLEGE OF BALTIMORE COUNTTY, CATONSVILLE CAMPUS)