Replikace
Kopírování: V době, kdy někteří Shmoopovi spolužáci chodili do školy, je učitelé vždycky přistihli při kopírování. Spolužáci však svým učitelům tvrdili, že kopírování mají v DNA. S touto logikou nemohla polemizovat, takže se nikdy nedostali do problémů. To je ale pěkný příběh.
Jakou paralelu se snažíme vyvodit tímto nepříliš jemným a humpoláckým příběhem? DNA se kopíruje pořád, a musí, pokud chce dál vytvářet všechny ty buňky. A jak to dělá! Replikace DNA je kopírování DNA, aby replikující se buňky měly dostatek DNA pro dceřiné buňky neboli nové buňky odvozené z původní buňky. K dělení buněk, tedy ke vzniku dvou nových buněk z jedné buňky, dochází prostřednictvím mitózy u nepohlavních buněk, tedy buněk, které se neúčastní… sexu, a meiózy u pohlavních buněk, tedy buněk, které se do sebe pustí rychleji než Vinny a Pauly D za dobré noci v Karmě.
Je to jen fáze: Přestože se buňky vyskytují ve všech tvarech a velikostech jako v reklamě na Benetton, existují v zásadě dva typy buněk:
- Pohlavní buňky (ne, to nejsou ty věci v Amsterdamu)
- Somatické buňky (nepohlavní buňky, což také nejsou ty věci v Amsterdamu)
Pohlavní buňky jsou buňky, z nichž vzniká potomstvo eukaryot, která se rozmnožují pohlavně, a dělí se na následující:
- Spermální buňky, které obsahují samčí polovinu DNA
- Vajíčkové buňky, které obsahují samičí polovinu DNA
V životním cyklu většiny eukaryotických buněk (kromě pohlavních) existují čtyři hlavní fáze.
Ty se nazývají
- Fáze Gap 1 (neboli G1)
- Fáze syntézy (neboli „S“)
- Fáze Gap 2 (G2)
- Mitóza
A ne, Gap nesponzoruje mitózu. Fáze G1, S a G2 se obvykle nazývají „interfáze“, většinou lidmi, kteří studují mitózu. I když, pokud si je pořídíte sami, říkají tomu „nudná fáze“.
G1
G1 je fáze životního cyklu eukaryot po mitóze a před syntézou DNA, což je S fáze. Během mitózy byla většina nemitózních aktivit vypnuta a G1 je období, kdy vše začíná znovu. G1 je jako šílený nespavec, který buňku budí slovy: „Hej, celou noc jsem vystřihoval kupony, je čas se probudit a hrát si se mnou!“
Fáze S
Fáze S je fáze replikace DNA v životním cyklu. Více si o ní povíme později, ale pokud se nemůžete dočkat, klikněte dopředu. V této fázi buňka zdvojnásobuje množství DNA, aby vytvořila dostatek DNA pro dceřiné buňky, a přechází z 2n na 4n, kde n je počet sad chromozomů neboli ploidie. Většina somatických buněk je 2n neboli diploidních, zatímco pohlavní buňky jsou haploidní, což znamená, že mají o polovinu méně DNA než somatické buňky (běžné buňky).
Fáze G2
G2 je Jan Brady buněčného cyklu. Všichni pořád mluví o „mitóze, mitóze, mitóze!“ a nikdo se nestará o chudinku G2. Je to období buněčného cyklu, kdy dochází k větší syntéze bílkovin a tvorbě mikrotubulů, které jsou důležité pro mitózu. „To je všechno?“ Ptáte se? Ano. Ve skutečnosti to není tak důležité, což je důvod, proč mnoho buněk tento krok vynechává. Vynechávají ho žabí buňky i mnohé rakovinné buňky. Chudák G2…
Mitóza
Mitóza je fáze buněčného cyklu, která je tak důležitá, že má svůj vlastní cyklus. Mitóza začíná po G2 a začíná profází neboli kondenzací chromatinu do chromozomů a centrozomů směřujících k opačným pólům buňky. Po tomto kroku následuje fáze prometafáze, mezistupeň mezi profází a metafází, kdy se rozpadá jaderný obal a chromozomy se začínají skládat na mikrotubuly spojující centrozomy. V metafázi se všechny chromozomy zarovnají do středu a následuje anafáze, kdy se chromozomy rozdělí na poloviny a dceřiné chromatidy se přesunou k nejbližšímu pólu centrozomu. Telofáze a cytokineze jsou závěrečné kroky buněčného dělení, respektive opětovného složení jádra do dvou dceřiných buněk.
Meióza
Meióza je fáze M pro pohlavní buňky. Začíná stejně jako mitóza a po vzniku prvních dvou dceřiných buněk pokračuje druhým mitózním cyklem. Tyto 2n dceřiných buněk se dále dělí a vznikají 4 dceřiné buňky a spousta předražených svateb, každá s n chromozomy.
Na počátku… Počátky replikace DNA
Pokud by se DNA nikdy nereplikovala, meióza a mitóza by pomalu zmenšovaly velikost genomu na polovinu, až by každá buňka zemřela, což by pravděpodobně netrvalo dlouho. Proto je důležité, že se DNA zdvojuje, aby se zohlednilo dělení buněk během mitózy/meiózy. Replikace DNA probíhá podobně jako transkripce RNA.
Níže je uvedena tabulka, která je porovnává:
| Replikace DNA | Přepis RNA | |
| Produkt | Dvojí-vláknová DNA | mRNA |
| Enzym | DNA polymeráza | RNA polymeráza |
| Nukleotidy Přidáno | Deoxynukleotidtrifosfáty | Nukleotidtrifosfáty |
| Templátové vlákno | Oboje | Oboje, ale přepisuje pouze z antisense vlákna |
Jak nazýváte místa, kde začíná replikace? Původ. Přáli bychom si, aby se to jmenovalo Star Wars Episode I: The Phantom Menace, ale ten název už byl zabraný.
Origin se liší podle typu DNA. Většina eukaryotických buněk a některé bakterie a viry mají lineární DNA, což znamená, že sekvence DNA má začátek a konec. Počátky replikace jsou proto na 5′ konci lineární DNA. Většina bakterií a některé viry mají kruhovou DNA, což znamená, že existuje specifická sekvence, na kterou se vážou replikační proteiny DNA (což je do jisté míry analogické transkripci RNA), a replikace začíná z tohoto místa.
Replikace DNA začíná vazbou iniciačního proteinu, jako je dnaA u bakterií E. coli, nebo komplexu proteinů, jako je komplex rozpoznávající počátek u kvasinek. Úkolem iniciátorů je rozpojit dvě vlákna DNA, aby mohla začít replikace. Tato situace není nepodobná zvedáku, který zvedá vaše auto při výměně pneumatiky. (Protože to přece všichni umíme, ne?) Pokud nevíte, jak vyměnit pneumatiku, zavolejte si odtahovou službu a zeptejte se jich, jak to dělají. Až vám řeknou, jak na to, křičte: „To je přesně jako replikace DNA!“ zavěste telefon a pak se modlete, abyste už nikdy nemuseli měnit pneumatiku.
Jakmile je DNA rozdělena, vstoupí do ní primery RNA, jeden se naváže na každé vlákno DNA a pak probíhá replikace DNA ve směru od 5′ ke 3′. Je důležité si uvědomit, že současně probíhají dvě 5′ až 3′ replikace. Každá z těchto dvou replikací se nazývá replikační vidlička. Nezaměňovat s duplikační lžičkou.
Přechod replikační vidlice
Při dělení DNA máme vlákno, které při pohledu zleva doprava čte 5′ na 3′, které budeme nazývat „zaostávající“ vlákno, a komplementární vlákno, které při pohledu zleva doprava čte 3′ na 5′, které budeme nazývat „vedoucí“ vlákno. Když tedy přidáme primery RNA, jeden primer se váže na vedoucí vlákno a druhý primer se váže na opožděné vlákno. Primer, který se váže na vedoucí vlákno, je identický se sekvencí zaostávajícího vlákna, zatímco primer, který se váže na zaostávající vlákno, je identický se sekvencí vedoucího vlákna. Doufáme, že vám ještě nepraskla hlava.
Představte si replikaci DNA jako levou a pravou ruku. Jsou v podstatě stejné, ale mají jemné rozdíly. Vaše levá ruka má palec jako pátý prst, pokud počítáte zleva doprava, zatímco vaše pravá ruka má palec jako první prst. Vidíte? Omlouváme se, jestli jsme vám tím vyrazili dech. Stejně jako vaše ruce se tedy obě vlákna DNA replikují stejným způsobem, ale je zde jemný rozdíl. Replikace DNA funguje pouze ve směru od 5′ ke 3′, takže dvě molekuly polymerázy DNA navážou primery RNA a začnou se replikovat v opačných směrech. Replikace vedoucího vlákna řídí proces replikace, protože primer RNA řídí replikaci 5′ až 3′ vlákna.
„Ale Shmoop, jak se replikuje ‚opožděné‘ vlákno?“, zeptáte se možná.
Jak už název napovídá, replikace DNA vedoucího vlákna pokračuje po určitou dobu, dokud se nevloží nový primer RNA, a druhá polymeráza DNA se primitivizuje z tohoto druhého opožděného primeru RNA a replikuje DNA, dokud nenarazí na první primer RNA nebo předchozí úsek dvouřetězcové DNA. Tam DNA polymeráza odpadne a DNA ligáza tyto fragmenty DNA spojí. Tento proces pokračuje současně se syntézou vedoucího řetězce, takže na opožděném řetězci je mnoho malých replikujících se dvouřetězcových fragmentů DNA. Těmto fragmentům se říká Okazakiho fragmenty podle manželského dua Reijiho a Tsuneko Okazakiových, kteří je objevili.
Jsme už hotovi?
Replikace DNA končí u bakterií a virů s kruhovým genomem v okamžiku, kdy se obě replikační vidlice setkají na opačné straně chromozomu, než je počátek replikace, ve velkolepé hře na kuře. Zasáhne statečný replikační terminátorový protein a replikaci DNA pozastaví, aby do sebe nenarazily. Mechanismus terminace však vede k tomu, že dva do sebe zaklesnuté kruhové chromozomy k sobě přilnou jako kouzelnické kroužky. Enzymy topoizomerázy, jako je DNA gyráza a topoizomeráza IV, které jsou zodpovědné za štěpení DNA, dočasně odříznou jeden chromozom, aby druhý mohl projít. A je to tady, všem kazíme kouzelnické triky.
Animace zkracování lineárních chromozomů
Lineární chromozomy mají další sadu problémů, protože s nimi nikdy nedosáhneme úplné replikace celého chromozomu. Každý replikační krok zkracuje DNA o něco více. Bakterie a viry s lineárními chromozomy tento problém obcházejí tím, že buď
- zahajují replikaci ve středu chromozomu, nebo
- provádějí replikaci pomocí proteinu namísto RNA primerové sekvence.
Eukaryota však nejsou schopna ani jedné z těchto možností a vyvinula si terminátorové sekvence zvané telomery, které problém zkracování DNA obcházejí.
Konce lineární eukaryotické DNA se nazývají telomery, a přestože se pravidelně zkracují každý replikační cyklus, problém zkracování DNA řeší enzymy zvané telomerázy. Telomery jsou vysoce repetitivní a telomerázy přidávají krátké sekvence, které prodlužují konce DNA, aby se příliš nezkrátily a aby se neztratily důležité části sekvence DNA. Telomerázy jsou reverzní transkriptázy neboli enzymy (poznáme je podle koncovky -áza), které převádějí RNA na DNA. Více informací naleznete v části „Spiderman a další příklady rekombinantní DNA“.
Telomerázy vezmou krátkou sekvenci RNA, převedou ji na dvouřetězcovou sekvenci DNA a připojí ji na konec DNA. Existuje minimální délka, kterou musí telomery udržovat, a pokud je sekvence DNA kratší než minimální délka, nazývaná Hayflickův limit, buňka umírá. Telomerázy zajišťují, že buňka může pokračovat v replikaci a dělení po neomezenou dobu. A nadměrná aktivita telomeráz je běžně spojována s rakovinou, protože buňky se stávají nesmrtelnými, podobně jako Highlander.
Hups, stala se chyba: Nejspíš si říkáte: „DNA polymeráza si myslí, že je tak skvělá, protože replikuje veškerou DNA v mém těle, takže mohu přežít a pokračovat v mitóze a meióze.“
Polymeráza DNA si myslí, že je skvělá, protože replikuje veškerou DNA v mém těle, takže mohu přežít a pokračovat v mitóze a meióze. Dobře, jsme si jisti, že většina z vás si to nemyslí, ale pojďme zahrát na strunu té hrstce lidí, kteří si to myslí.
Ve skutečnosti polymeráza DNA tak skvělá není! Dělá chyby stejně jako vy nebo Shmoop – i když naše chyby jsou většinou produktem příliš mnoha pětihodinových energetických nápojů smíchaných se smaženými Twinkies. DNA polymeráza však musí tyto chyby napravovat, zatímco my ve Shmoopu upadáme do kómatu vyvolaného cukrem.
Někdy se ve spěchu při replikaci DNA přidá do sekvence nesprávná báze, která se správně nepáruje s templátovým vláknem. Vznikají proto podivné páry bází G-T nebo A-G. Všichni si pamatujeme, že normální páry jsou G-C a A-T (Eh? Co to je?). Tyto nesprávné páry pro nás nejsou dobré, protože to znamená, že naše geny jsou zmutované a my se stáváme mutanty. Jen málo mutací vede k úžasným věcem, jako je teleportace nebo laserové vidění… nebo cokoli z X-Menů. Shucks.
Velká eukaryota jako my, která se replikují pomalu a žijí dlouho, nechtějí, aby docházelo k velkým mutacím. Proč? Každá mutace, která ovlivní náš růst, je obvykle… nedobrá… a ublíží nám. Smutná tvář.
Menší organismy, jako jsou bakterie, viry a dokonce i mouchy, však mají krátké životní cykly v řádu dnů a někdy i hodin. Replikují se jako šílené, kdy každá nová generace bude mít o 100-1000 jedinců více než generace předchozí. Proto mohou být mutace v jejich případě výhodnější. Někdy budou chtít uniknout pesticidům, antibiotikům nebo lékům určeným k jejich léčbě/zabití, což je důvod, proč je tak těžké vyrobit lék, který nás ochrání před onemocněním. Bakterie a viry neustále mutují a replikují se. A jak jsme si již všimli, v jejich polymerázách je jen malá kontrola chyb.
Mozková svačinka
Tady je pěkné video o tom, jak vlastně replikace DNA funguje.
Poznáte polymerázy DNA? Jsou to různobarevné kuličky, jedna pro vedoucí a druhá pro opožděné vlákno. Polymerázy pro opožděné vlákno jsou ty, které přicházejí a pak odpadají, když je dvojité vlákno dokončeno.