Molekulára

Aby člověk dobře pochopil pochody v mikrosvětě, je více než žádoucí dobře se orientovat v molekulární biologii. Virologie se bez této biologické kapitoly vůbec neobejde. Pojďme si oprášit základy, které jste zaslechly v prvním ročníku a možná se vám z hlavy trochu vytratily.

Nukleové kyseliny

O buňkách a obecně o živých entitách se hovoří jako o nukleoproteinových soustavách. Jinými slovy jsou buňky složeny především z bílkovin (proteinů), přičemž tyto proteiny jsou zakódovány v nukleových kyselinách. Rozeznáváme dva typy nukleových kyselin - DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonuklová kyselina). Bavíme-li se o buňkách jsou bílkoviny zakódovány v DNA u virů mohou být zakódovány i v RNA. Nyní si vysvětlíme, jak obě nukleové kyseliny vypadají a jaké jsou mezi nimi rozdíly.

Obě molekuly jsou poskládány z nukleotidů. Nukleotid je molekula složená z cukru, ke kterému je připojen zbytek kyseliny fosforečné (fosfát) a dusíkatá báze.

Jak molekula RNA, tak molekula DNA je složena z nukleotidů. Když bychom měli být přesní mluvíme u RNA o ribonukleotidech a u RNA o deoxyribonukleotidech . Záleží totiž na cukru, který je základem každého nukleotidu. RNA vlastní ribózu (odtud ribonukleotid) a DNA vlastní deoxyribózu (odtud deoxyribonukleotid). Na následujícím obrázku je patrný rozdíl mezi oběma cukry.

Na první uhlík cukru se připojuje dusíkatá báze. V DNA můžeme najít čtyři různé báze adenin (A), thymin (T), cytosin (C) a guanin (G). RNA vlastní ty samé báze až na thymin, místo kterého zde najdeme uracil (U). K pátému uhlíku (5´) je pak připojen zbytek kyseliny fosforečné (fosfát). Přes tento fosfát je pak nukleotid připojen ke třetímu uhlíku (3´) předešlého nukleotidu. Takto se vytvoří řetězec RNA či DNA.

Molekula DNA je typická tím, že vytváří dvoušroubovici. Nalezneme zde dvě vlákna, která spolu drží pohromadě díky vodíkovým můstkům vznikajícím mezi komplementárními dusíkatými bázemi. Hovoříme o komplementárních dvojicích. Jedna dvojice je adenin s thyminem (mezi nimi vznikají dva vodíkové můstky) a druhá cytosin s guaninem (zde najdeme tři vodíkové můstky). Oba řetězce jsou antiparalelní. To znamená, že jsou vůči sobě vzhůru nohama.

Pro ty, kteří mají rádi obrázky, protože si to podle nich lépe pamatují, zde mám ještě jeden obrázek. Na něm je mnohem lépe patrná antiparalelita řetězců. Chcete-li nějakou analogii, tak si představte dva zástupy lidí. Kdyby se lidé v zástupu měli navzájem uchopit za pravou ruku, musí nutně druhý zástup mířit na opačnou stranu než zástup první. Kdyby mířili na stejnou stranu, tak se mohou uchopit pouze opačnýma rukama.

Replikace DNA

Replikace DNA je proces, kdy z jedné dvoušroubovice, získáme dvě naprosto identické dvoušroubovice. Buňky replikují svoji DNA, když se chtějí rozmnožit. Z jedné mateřské buňky vzniknou dvě buňky dceřiné, přičemž obě dceřiné buňky vlastní úplně stejnou DNA.

O něco výše jsme si řekli, že známe-li jeden řetězec víme, jak bude vypadat druhý. Mělo by tedy stačit od sebe oba řetězce oddělit a druhý nějak nasyntetizovat.

Takto to vypadá bezproblémově, ale v přírodě je vše mnohem komplikovanější, než by člověk očekával. Ohromnou komplikaci sem přináší klíčový enzym celé replikace DNA polymeráza. Tento enzym dokáže přečíst nukleotid na jednom vlákně a do nově syntetizovaného vlákny vložit správný komplementární nukleotid. Problém ale je, že polymeráza dokáže prodlužovat vlákno pouze v jednom směru. Dokáže přidávat nukleotidy pouze na 3´ konec. 5´ konec polymeráza nedokáže rozlišit, natož aby tym připojila nový nukleotid. Když se podíváme na následující obrázek, tak je jasné, že to takhle nemůže fungovat!!!!!!!!!!!

Jestliže DNA polymeráza dokáže prodlužovat pouze 3´konec, tak se to dá vyřešit. Jedno vlákno se bude syntetizovat bez problémů. Tomuto vláknu se říká vedoucí řetězec. Druhé vlákno, kterému se říká váznoucí řetězec si musí chvilku počkat. Až je odhalena dostatečná délka jednořetězcové templátové DNA, může polymeráza na toto vlákno naskočit a rozjet se v protisměru.

Nyní se na celý chromozom podíváme z trochu větší dálky. Každý chromozom musí mít alespoň jedno místo na molekule DNA, kterému říkáme replikační počátek. Na tomto místě dojde k přerušení vodíkových můstků a oddálení obou řetězců. Vzniknou tak dvě replikační vidličky, které se rozběhnou do navzájem opačných směrů. Z povahy antiparalelity řetězců vyplývá, že jeden a ten samý řetězec se u jedné vidličky chová jako vedoucí a u druhé jako váznoucí. Výslednému útvaru se říká replikační bublina, která se neustále zvětšuje a v případě bakterií máme za 25 minut dvě dvoušroubovice DNA.

Nyní se trošku blíž podíváme na replikační vidličku, a to především na enzymy, které se zde nacházejí. 

Prvním enzymem je helikáza. Helikáza vypadá jako prstýnek navlečený na jednom vláknu DNA, posouvá se ve směru replikace a přerušuje vodíkové můstky. Helikáza funguje jako jezdec zipu při jeho otevírání.

Dalším enzymem je již výše zmíněná DNA polymeráza. Měli bychom správně napsat, že se jedná o DNA dependentní DNA polymerázu. Přeloženo do češtiny to znamená, že podle DNA předlohy nasyntetizuje DNA vlákno (ono je totiž polymeráz větší množství). Jedna replikační vidlička vlastní dvě polymerázy. Jedna polymeráza syntetizuje vedoucí vlákno a druhá vlákno váznoucí. DNA polymeráza má však ještě jednu nepříjemnou vlastnost. Neumí zahájit polymerační reakci. Vždy potřebuje 3´konec, ke kterému přidá další nukleotid. Vedoucí vlákno z tohoto pohledu problém nemá, ale každý Okazakiho fragment musí nějak začít. Od toho je tu další enzym.

Primáza je DNA dependentní RNA polymeráza. Každý Okazakiho fragment začíná primerem, krátkou sekvencí RNA nukleotidů (je jich přibližně 10), které mají důležitou funkci. DNA polymeráze nabídnou 3´konec. DNA polymeráze je jedno, že je tento konec RNA. Ona se na něj napojí a rozjede se a pracuje do té doby, než narazí na primer předešlého Okazakiho fragmentu.

Nyní se už musíme vypořádat pouze s primery. Ty v definitivní DNA nesmí zůstat. Primery odstraní enzym nukleáza a prázdné místo doplní jiný typ DNA polymerázy. Polymeráza však nedokáže spojit nový řetězec s předešlým Okazakiho fragmentem a od toho je zde poslední enzym ligáza. Ta tyto řetězce propojí. 

Bílkoviny (proteiny)

V úvodu kapitoly jsme napsali, že jsou buňky nukleoproteinové soustavy. Nukleové kyseliny jsme si do jisté míry představily a nyní se zaměříme na proteiny neboli bílkoviny. V následující kapitole DNA, RNA i proteiny propojíme. Jako je nukleová kyselina řetízek nukleotidů i proteiny jsou řetízkem. Základním stavebním kamenem jsou však aminokyseliny.

Každá aminokyselina má centrální uhlík se čtyřmi vazbami. Na první vazbu je napojena aminoskupina, na druhou karboxylová skupina a na třetí vodík. Toto uspořádání mají všechny aminokyseliny stejné v čem se liší je čtvrtá vazba, na níž se napojuje postranní řetězec a ten může být ledajaký.

Nyní stačí aminokyseliny pouze propojit mezi sebou. Propojíme vždy aminokyselinu s karboxylem a máme dipeptid. Vzniklé vazbě říkáme peptidická vazba. Takto mezi sebou můžeme propojit ohromné množství aminokyselin za vzniku řetízku, kde jednotlivé korálky jsou aminokyseliny.

Ještě zbývá dodat, že chemie zná nepřeberné množství aminokyselin. V buňkách však najdete pouze 20 základních biogenních aminokyselin. (Nenechme si kazit pěkně kulaté číslo tím, že i v našem těle se dá dohledat 21. aminokyselina selenocystein.) V následující tabulce je všech dvacet biogenních aminokyselin seřazených podle toho, jaký chemický a fyzikální charakter vykazují jejich postranní řetězce.

Proteosyntéza

Jak jsme výše slíbili, dojde nyní k propojení nukleových kyselin a proteinů. Když se zeptáte gymnaziálního studenta k čemu je dobrá molekula DNA, většinou odpoví, že je to informační molekula (má pravdu), nebo že nese geny (také má pravdu), popřípadě to spojí dohromady a řekne, že je DNA nositelkou genetické informace. Doopravdy však funkci DNA vysvětlit nedokáže. Jak to tedy ve skutečnosti je? Ideální by bylo říci, že DNA nese geny a každý gen kóduje jeden peptid (jednu bílkovinu).

Hned na začátku zdůrazním, že je DNA složena pouze a výhradně ze čtyř typů nukleotidů. Nic jiného zde nenajdeme. Je to tedy takřka nekonečná řada čtyř písmen A, G, T, a C, které se mezi sebou různě kombinují. Do těchto čtyř písmen musí být buňka schopná zakódovat všech 20 aminokyselin. Jestli vám to přijde nemožné tak si uvědomte, že v morzeovce pomocí dvou znaků (tečky a čárky) dokážeme zakódovat všechna písmena abecedy. Jinými slovy například Hamlet by se dal přepsat do sekvencí teček a čárek. Zpět k DNA.

Na molekule DNA jsou úseky kódující bílkoviny. Těmto úsekům říkáme geny. Každý gen má ale jistou strukturu. Před vlastním genem je regulační oblast - promotor, který buňce říká, jaký gen se za ním nachází. Na konci genu je sekvence označovaná jako terminátor, to aby buňka věděla, kde gen končí. Molekulu DNA si také můžete představit jako obří kuchařku, přičemž geny jsou recepty na různá jídla. Tato kuchařka je ale tak obrovská, že může být uložena pouze v knihovně (jádro). Pakliže chcete v kuchyni (ribozom) uvařit nějaké jídlo (protein), musíte si recept v knihovně opsat na papírek (mRNA) a do kuchyně si ho donést. Procesu opisování receptu se říká transkripce a vlastnímu vaření jídla translace.

Transkripce

Na pochopení je to poměrně snadný proces. Transkripci provádí další enzym z rodiny polymeráz - RNA polymeráza (celým jménem DNA dependentní RNA polymeráza). Tato polymeráza musí objevit správný promotor. Dejme tomu, že buňka potřebuje vyrobit inzulín. Polymeráza pak nemůže nasednout na jakýkoliv promotor. Musí to být pouze promotor inzulínu. Poté dojde k rozpojení řetězců a polymeráza začne podle jednoho vlákna syntetizovat komplementární RNA vlákno. Celý proces se dá rozdělit na tři etapy. 

1. Iniciace - RNA polymeráza podle regulačních bílkovin na promotoru rozpozná gen pro inzulin a napojí se na promotor. Dojde k rozpojení vláken a posunu polymerázy na první přepisovanou pozici.

2. Elongace - polymeráza se posouvá po dvoušroubovici a prodlužuje vznikající molekulu mRNA. Kdyby vás napadla otázka, jak si polymeráza ze dvou vláken vybere to správné k přepisování, tak je odpověď snadná. Jedná se o polymerázu, tudíž tento enzym dokáže prodlužovat pouze 3´konec. Kdyby si polymeráza, čistě teoreticky, vybrala druhé vlákno, musela by prodlužovat 5´konec a to žádná polymeráza nedokáže.

3. Terminace - polymeráza se postupně dostane do oblasti terminátoru a na tomto místě dojde k ukončení transkripce, vyvázání polymerázy a uvolnění molekuly mRNA.

Tímto způsobem vznikla molekula mRNA (od messenger RNA). U eukaryot je zde ještě jeden proces, který na tomto místě nebudu úplně vysvětlovat (kdyžtak si to někde najděte). Eukaryotické geny jsou poskládány z kódujících částí (exony) a nekódujících částí (introny). Při transkripci se introny z mRNA musí vystříhat (proces se jmenuje sestřih - anglicky splicing) a exony se pospojují. Teprve po spojení posledních exonů vznikne finální molekula mRNA. U bakterií introny nejsou a u archeí se introny vyskytují ve své nejjednodušší podobě v genech kódujících tRNA.

Eukaryotická mRNA je ještě opatřena čepičkou. Na 5´konci je napojen metylguanosin (to je ta čepička). Na druhém 3´konci je připojeno velké množství adeninů tzv Poly-A konec. Takto opracovaná mRNA opouští jádro a vydá se hledat ribozom.

Translace

Při transkripci došlo pouze k přepisu jednoho genu do molekuly mRNA. Při translaci nyní musíme přeložit jazyk nukleových kyselin do jazyka aminokyselin. K tomu nám pomůže tabulka genetického kódu. Každá aminokyselina je zakódována třemi za sebou jdoucími nukleotidy této trojici se říká triplet. Jenže tripletů můžeme poskládat 64 a aminokyselin máme 20. To znamená, že mnoho aminokyselin je kódováno větším množstvím tripletů. Prohlédněte si pečlivě následující tabulku.

Nyní to trochu zjednoduším. mRNA se naváže čepičkou na ribozom a posune se do místa, kde se nalézá poprvé triplet AUG. Tomuto tripletu se říká start kodon a od tohoto místa dokáže ribozom číst triplety a přiřazovat jim správné aminokyseliny. mRNA plynule ribozomem projíždí a ribozom plynule syntetizuje polypeptidový řetězec. Jakmile ribozom přečte jeden ze tří stop kodónů, ukončí syntézu a uvolní hotový protein. Ještě bychom měli dodat, že aminokyseliny na ribozom přinášejí molekuly tRNA (transferová RNA).