Genetika
3.1 Replikace
Dvoušroubovicová struktura DNA splňuje všechna kritéria, kladená na stabilní a spolehlivý molekulový nosič genetické informace. Jako taková tvoří základ chromosomů v jádře buňky. Buňka tvoří kopie DNA v průběhu S-fáze buněčného cyklu. Mechanismus tohoto děje je jedinečný a pro svůj princip se nazývá jako semikonzervativní replikace. Její podstatou je oddělení obou "starých" řetězců DNA, které tvoří původní dvoušroubovici, od sebe. V druhém kroku se podle pořadí bází v původních řetězcích nově tvoří - syntetizují nové řetězce DNA. Enzymy, které provádějí jejich syntézu, se nazývají DNA-polymerázy. Výsledkem je vznik dvou dvoušroubovic DNA, z nichž každá je tvořena jedním původním řetězcem DNA a druhým novým, který je k původnímu řetězci plně komplementární. Schematicky si můžeme tento proces ilustrovat na následujícím příkladu:
5´...ACTAGTTA...3´ 5´...ACTAGTTA...3´ původní
5´...ACTAGTTA...3´ 3´...TGATCAAT...5´ nový
3´...TGATCAAT...5´ ►► ►►
5´...ACTAGTTA...3´ nový
3´...TGATCAAT...5´ 3´...TGATCAAT...5´ původní
Celý proces má tři fáze: iniciaci, elongaci a terminaci.
Iniciace replikace zahajuje celý děj. S pomocí speciálních bílkovin, tzv. replikačních proteinů se rozplétá dvoušroubovice v přesně určeném místě, které se označuje zkratkou ori.
Elongace replikace zahrnuje syntézu nových řetězců DNA pomocí DNA-polymerázy. Tento enzym dokáže přidávat stavební jednotky řetězců DNA - deoxyribonukleotidy pouze na 3' konec řetězce DNA (obr. 1), který je tvořen OH-skupinou deoxyribózy na 3' uhlíku. Jinak řečeno, syntéza DNA je vždy jednosměrná a děje se pouze ve směru 5 '→ 3'. Oba původní řetězce jsou však protiběžné, antiparalelní. Jeden z řetězců má orientaci 5'-3 'a druhý 3'-5'. Proto i syntéza nových řetězců je sice časově shodná, ale principiálně odlišná. Jeden z nových řetězců se syntetizuje souvisle, zatímco druhý po krátkých částech, které se později spojí s pomocí jiného enzymu, zvaného DNA-ligáza. Řetězec DNA, který se syntetizuje souvisle, se nazývá vedoucí řetězec s orientací 5'-3 '. Druhý řetězec, který se syntetizuje za vzniku krátkých fragmentů má orientaci 3 '- 5' a nazývá se opožďující se řetězec. Krátké fragmenty, které jsou spojovány enzymem DNA-ligázu se nazývají Okazakiho fragmenty. Situaci vysvětluje následující příklad:
Původní sekvence dvou antiparalelnÍch řetězců, tvořících dvoušroubovici:
5´- ... ATTCGTATGCCTATATCGGGCAAGCGAGGTCCCAAGACACA ... – 3´
3´- ... TAAGCATACGGATATAGCCCGTTCGCTCCAGGGTTCTGTGT ... – 5´
V průběhu replikace se řetězce rozpletou a DNA polymeráza syntetizuje oba řetězce jedním směrem prostorově a zároveň ve směru 5 '- 3' současně pro oba řetězce:
5´- ... ATTCGTATGCCTATATCGGGCAAGCGAGGTCCCAAGACACA ... – 3´
3´- ... TAAG░ATACGGATAT░GCCCGTTCG◄◄◄◄◄GT– 5´ opožďující se řetězec
↑Okazakiho fragmenty ↑
►► DNA-POLYMERASA ►►
5´- ... ATTCGTATGCCTATATCGGGCAAGCGAG►►►► – 3´ vedoucí řetězec
3´- ... TAAGCATACGGATATAGCCCGTTCGCTCCAGGGTTCTGTGT ... – 5´
Terminace je závěrečná fáze replikace, ve které se působením terminačních proteinů celý proces ukončí. Výsledkem je vznik dvou dvoušroubovic DNA, z nichž každá má jeden původní řetězec DNA a jeden řetězec nový, který byl nasyntetizován a je komplementární k původnímu.