25. Molekulární základy dědičnosti

Dlouho zůstávala nevysvětlena podstata mechanismu dědičnosti. Až v roce 1953 se podařilo zakladatelům molekulární biologie Watsonovi a Crickovi objasnit molekulární strukturu DNA a navrhnout její model v podobě dvojité šroubovice. Strukturou molekuly DNA lze objasnit způsob její reprodukce a její význam.

Nukleové kyseliny jsou základní makromolekulární látkou živých soustav. Vznikají propojováním nukleotidů (sta až tisíce). Každý nukleotid je tvořen dusíkatou organickou zásadou, cukrem o pěti uhlících (pentózou) a kyselinou fosforečnou. Cukr ribóza je charakteristický pro kyselinu ribunukleovou (RNA), cukr deoxyribóza pro kyselinu deoxyribonukleovou (DNA). Množství nukleových kyselin v buňkách je poměrně malé, prvořadý je jejich význam. Jsou hmotným základem dědičnosti, neboť pořadí nukleotidů určuje vlastnosti buněčných bílkovin. K pochopení problému přenosu této genetické informace je nutné seznámit se s syntézou nukleových kyselin a s syntézou bílkovin.

Syntéza nukleových kyselin

Je předpokladem pro všechny ostatní syntézy v buňce, neboť na ní závisí syntéza bílkovin, a tím i tvorba enzymů, které jsou základem buněčného metabolismu.

a) DNA

Molekula DNA je tvořena dvěma těsně vedle sebe probíhajícími polynukleotidovými řetězci (= „dvouvláknová molekula“). Mezi oběma řetězci existuje vztah - princip komplementarity (přiřazují se k sobě nukleotidy s dusíkatými bázemi TYMIN - ADENIN nebo CYTOZIN - GUANIN). Stavebním materiálem pro syntézu molekuly DNA jsou volné nukleotidy (deoxyribonukleotidy). K jejich spojení do polynukleotidového řetězce je nutný enzym DNA - polymeráza. Energii pro kovalentní vazby mezi nukleotidy dodává kyselina edenozintrifosforečná (ATP). Při vlastní syntéze se vlivem porušování vodíkových můstků mezi bázemi obě vlákna od sebe oddalují. Volné nukleotidy ve formě nukleoxidtrifosfátů (ATP + nukleotid = nukleoxidtrifosfát) se přiřazují podle principu komplementarity k „obnaženým“ bázím obou řetězců. Obě vlákna původní molekuly sloučila jako matrice pro syntézu nových vláken. Každá z obou nových molekul DNA má tedy jedno vlákno „staré“ a jedno „nové“. Obě molekuly jsou navzájem stejné a jsou identické i s původní molekulou. Tento proces nazýváme replikace DNA (zdvojení), probíhá především v jádře, mitochondriích, v rostlinných buňkách i v chloroplastech.

b) RNA

Obdoba syntéze DNA. Stavebním materiálem jsou volné nukleotidy (ribonukleotidy), energii dodává ATP, enzym je zde RNA - polymeráza. Syntéza RNA probíhá většinou podle matrice molekuly DNA, pouze u virů neobsahujících DNA je matricí RNA. Obě vlákna DNA se opět oddělují a podle principu komplementarity se přiřazují ribonukleotidy s příslušnými bázemi GUANIN - CYTOZIN, ADENI - URACYL. Jakmile RNA - polymeráza nukleotidy spojí, oddělí se hotová molekula RNA od své DNA matrice. Místo syntézy RNA je v buňce dáno tím, kde leží DNA, tj. opět v jádře, mitochondriích, popř. chloroplastech.

Syntéza bílkovin

Bílkoviny jsou makromolekulární sloučeniny, které vznikají pospojováním aminokyselin peptidovou vazbou. Takto vzniklý řetězec nazýváme polypeptidový řetězec. Vlastnosti molekul bílkovin, které podmiňují jejich specifické funkce v buňce, jsou dány pořadím aminokyselin v tomto polypeptidovém řetězci. Řídícím vzorem (matricí) jsou pro syntézu polypetidového řetězce molekuly RNA, přesněji určitý typ molekul RNA, který označujeme jako informační čili mediátorová RNA (mRNA).

Výchozím materiálem pro tuto syntézu jsou volné aminokyseliny. Energii pro tvorbu peptidové vazby dodává opět ATP.

Další typ RNA, transferová RNA (tRNA), umožňuje zprostředkovat interakci mezi mRNA a aminokyselinami. Molekula tRNA má tu důležitou vlastnost, že se může specificky vázat s určitou aminokyselinou (tzn. počet těchto molekul v buňce závisí na počtu aminokyselin). Molekuly tRNA, které nejsou jednotlivé aminokyseliny, se přiřazují k mRNA podle principu komplementarity bází, přesněji specifickou trojicí bází (triplet). Triplet vyhledává komplementární triplet v mRNA. Po připojení se jednotlivé navázané aminokyseliny spojí peptichovou vazbou, tRNA se odpojí, aby mohla „přinést“ další aminokyselinu. Proces se opakuje tak dlouho, až vznikne celá molekula bílkoviny. Ta se nakonec od matrice odpojí. Závislost v předávání informace můžeme vyjádřit jednoduchým schématem: DNA ? RNA ? bílkovina.

Lokalizace syntézy bílkovin (proteosyntézy) v buňce.

MRNA syntetizovaná v buněčném jádře přechází z jádra do cytoplazmy, kde se váže na ribozómy, které obsahují další typ RNA, ribozomální RNA (rRNA).

Ta se vytváří jako všechny typy RNA, podle matrice DNA; tvorba je omezená na část jádra, na jadérko. Odtud přechází do cytoplazmy, kde se po spojení s určitými bílkovinami stává součástí ribozómů. V cytoplazmě se váží aminokyseliny na tRNA, která přechází na mRNA vázanou ribozómy. Vlastním místem protosyntézy jsou tedy ribozómy.

Nukleové kyseliny a dědičnost

U velké většiny organismů je nositelem genetických informací kyselina deoxyribonukleová - DNA. (Výjimku tvoří pouze tzv. RNA - viry). Jsou to informace pro všechny znaky všech organismů, jejich konkrétní formy, stupně projevu a tedy i jejich druhově i individuálně specifické kombinace, nebo také rozdíly. Všechny molekuly DNA jsou vytvořeny ze čtyř typů nukleotidů, ale přesto je každá jiná; má jiné pořadí nukleotidů, jinou tzv. primární strukturu. A právě zde jsou genetické informace organismu uloženy. Před každým buněčným mitotickým dělením se molekuly DNA zdvojují. Proto každá dceřiná buňka dostává při mitóze molekuly DNA, jako měla buňka mateřská (tzn. i tytéž genetické informace). Stejný princip je i u redukčního dělení, jímž vznikají pohlavní buňky. Přenášejí se tak při pohlavním rozmnožování genetické informace z generací na generaci.

Genetika je biologická věda, jež zkoumá zákonitosti dědičnosti a proměnlivosti živých soustav. Mezi základní pojmy patří gen. Gen - úsek vláknité makromolekuly DNA, který nese úplnou genetickou informaci o určitém biologickém významu a obsahuje informaci pro konkrétní formu příslušného znaku. Konkrétní forma genu se označuje jako jeho alela. Některé geny se vyskytují v celé řadě různých alel. Soubor všech genů v organismu, tak jak se u něho vyskytují v konkrétních formách, alelách, se označují jako jeho genotyp. Obsahuje nejen geny, které se skutečně projeví ve fenotypu jako jeho znaky, ale i ty, které se nijak neprojeví. Genotyp je tedy širší pojem než fenotyp. Každý gen v somatické buňce eukargotického organismu je zastoupen alelovým párem. Pouze v pohlavní buňce je jen jeden člen alelového páru. Soubor všech genů v buňce - genom. Rozlišujeme geny na geny velkého účinku, které mají velký fenotypový účinek, a na geny malého účinku, jichž je velké množství v organismu, ale každý z nich má pouze malý fenotypový účinek.

1. geny strukturní - nesou úplnou genetickou informaci pro pořadí aminokyselin v určitém polypeptidovém řetězci;, odpovídají tak za primární strukturu bílkovin (Triplet v DNA nebo v mRNA určující zařazení jedné aminokyseliny se nazývá kodon). Zajišťují dokonalou syntézu bílkovinného řetězce, nejzákladnější geny.
2. geny regulační - regulují aktivitu strukturních genů během života jedince v jednotlivých buňkách, čímž dávají celé soustavě genů v genotypu přesný organizační řád. Zajišťují regulaci jiných enzymů a genů.
3. geny pro RNA - kódují pořadí nukleotidů v molekulách rRNA a tRNA, které nepřenášejí svou genetickou informaci dále do struktury polypeptidových řetězců. Charakterizují veškeré děje v RNA.

Genetická informace je zpráva zapsaná ve struktuře molekuly DNA, již umožňuje buňce (i organismu) realizovat určitý znak v jeho konkrétní formě. Zpráva je v dané systému „zašifrována“ pomocí kódu, který používá určité soustavy symbolů (písmena A, T, C, G podle bází). V jedné makromolekule DNA může být uloženo více genů. Pro začátek a konec se užívají specifické triplety (CAC - začátek; ATT nebo ATC - konec. Každý triplet ležící „mezi“ kóduje genetickou informaci.

Exprese genu - tj. převod genetické informace uložené v DNA do fenotypového znaku organismu - je velmi složitý proces. Na molekulární úrovni se uskutečňuje ve dvou stupních:

1. Transkripce (přepis) - částečně připomíná replikaci DNA. Vlákna se oddělí, jedno z nich slouží jako matrice, k níž se podle principu komplementarity (A - U, G - C) vytváří doplňkové vlákno molekuly mRNA. Po spojení nukleotidů enzymem RNA - polymerázou se vlákno mRNA uvolní od matrice DNA. Výsledkem je, že mRNA obsahuje stejnou genetickou informaci jako původní gen.
2. Translace (překlad) - znamená překlad genetické informace z pořadí nukleotidů mRNA do pořadí aminokyselin v peptidovém řetězci, tj. do primární struktury bílkoviny. MRNA opouští buněčné jádro, v ribozomech se k jednotlivým kodonům mRNA postupně (pouze dočasně) napojují svými antikodony (=komplementární triplety) molekuly tRNA nesoucí jednotlivé aminokyseliny. Primární struktura genů (DNA) tedy určuje primární strukturu peptidového řetězce a ta určuje sekundární a terciální strukturu bílkoviny, a tím i její funkční vlastnosti.

Nejčastěji je touto bílkovinnou enzym. Znamená to tedy, že buňka (organismus) může syntetizovat pouze enzymy, pro něž má geny. Každý enzym v buňce umožňuje vykonat určitou biochemickou reakci. Soubor všech genů buňky tak určuje průběh všech jejich procesů látkové přeměny. A z látkové přeměny každého organismu vyplývají všechny jeho dědičné znaky (morfologické, funkční popř. psychické).

Základním předpokladem pro utvoření kteréhokoliv dědičného znaku organismu je tedy schopnost určité biochemické reakce v jeho buňkách. Biochemické znaky každého organismu jsou primární a všechny ostatní z nich vyplývají.