Molekulární základy dědičnosti - rozšiřující učivo REPLIKACE, BUNĚČNÝ CYKLUS, ZÁNIK BUNĚK REPLIKACE deoxyribonukleové kyseliny (zdvojení DNA) je děj, při kterém se tvoří z jedné dvoušoubovice DNA dvě nová shodná vlákna. Dochází tak předávání genetické informace z mateřské buňky na dceřiné buňky. Proces je řízen enzymy, z nich nejdůležitější jsou DNA polymerázy. První z nich objevil Arthur Kornberg v roce 1957 při studiu bakterie Escherichia coli. Děj je označován jako semikonzervativní, protože každé z obou nových vláken má jeden řetězec z mateřské molekuly DNA a druhý řetězec je podle ní dosyntetizován na základě komplementarity dusíkatých bází. Replikace probíhá u eukaryot obvykle v syntetické fázi buněčného cyklu (S- fázi) a důsledkem je vznik 2 dceřiných buněk. Je také potřebná při opravných mechanismech probíhajících v buňkách (např. u bakterií je odhadováno, že zařazení nesprávného nukleotidu připadá na 10 9 10 10 nukleotidů). Opravný enzym chybný nukleotid vystřihne, a provede opravu vřazením komplementárního nukleotid)u. Replikace je využívána ve výzkumu (metoda PCR mnohonásobné zmnožení úseků nukleotidového řetězce) i v soudním ledařství při stanovení pořadí nukleotidů v DNA (sekvenování). Replikační počátek: Např. u bakterií replikace začíná na jednom místě (mají kruhový chromozom jen s několika málo geny), vyšší organismy mají několik tisíc počátků (souběžně při replikaci DNA probíhá několik nezávislých polymerací. Rychlost replikace: u Escherichia coli je k matrici párováno asi 50 000 bází za minutu, u člověka je rychlost DNA polymerázy jen 3 000 nukleotidů za minutu Průběh: 1. Iniciace: Replikované vlákno DNA je nejdříve účinkem enzymů rozvolněné na dva jednovláknité řetězce. Tato vlákna, podle kterých se vytváří jejich kopie, jsou označována jako (matrice, templát). Místo, kde dochází k replikaci a k rozdvojení vláken je nazváno replikační vidlice. 2. Elongace Ke každému nukleotidů obou vláken jsou na principu párování dusíkatých bází přidávány nukleotidy. Syntéza podle obou vláken neprobíhá stejnou rychlostí. Každé z obou vláken původní metrice je zdvojováno odlišně. DNA polymeráza připojuje nukleotidy pouze na 3'uhlík deoxyribosy. 3. Terminace Popis obrázku: a) templátová DNA b) vedoucí řetězec c) zpožďující se řetězec d) replikační vidlice e) primer (očko - místo zahájení replikace, řetězec několika nukleotidů) Replikace končí tehdy, když je zhotovena kopie celé DNA. 1
BUNĚČNÝ CYKLUS Buněčný cyklus je doba mezi dvěma děleními buňky, jeho délka se označuje jako generační doba. Je členěn na mitózu (chromozomy jsou po barvení viditelné pod mikroskopem) a tzv. intervizi, kdy se buňka připravuje na dělení. Replikace probíhá v syntetické fázi tohoto cyklu. Fáze Interfáze Označené fáze G 1 (Růstová fáze) G 0 (1. kontrolní bod) S (syntetická fáze) Anglická terminologie Gap 1, Growth, Resting phase Gap 0 S Synthesis Popis Buňka roste přibližně ½ generační doby, vytváří se látky potřebné k dělení, součástí této fáze je bod G 0. Rozhodne, zda se buňka bude připravovat na dělení, či zůstane ve stavu G 1 Replikace DNA zdvojení chromozomů a souběžně další vývoj buňky, přibližně 1/3 generační doby. G 2 Gap 2 Zdvojení počtu organel, tvorba dělícího vřeténka G 2/ M 2. kontrolní bod, buňka se rozhodne, zda nastala potřeba dělení a zda proběhlá replikace a okolní prostředí umožní dělení buňky. Mitotická fáze M Mitosis Dělení jádra (karyokinese) s následným dělením buňky (cytokinese), nejkratší úsek života buňky. ZÁNIK BUNĚK 1. Apoptóza (řec. apoptosis padání) - programovaná buněčná smrt ( samovražda buňky v prospěch ostatních buňek), složitý mechanismus, který sloužící k odstranění poškozených či nepotřebných či buněk. Jde o řízený zánik jednotlivé buňky, dochází k zástavě všech biosyntetických pochodů v buňce. Materiál zaniklé buňky je využit ostatními buňkami. Velký význam hraje tento při zániku mutacemi nadměrně poškozených buněk a zejména v ontogenezi, kdy napomáhá k formování orgánů (např. mizení blán mezi prsty). Srůsty prstů způsobené poruchou apoptózy: http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:celldeath.jpg 2. Nekróza (rec. Νεκρός = mrtvý) - proces, kdy dojde odumření buňky, tkáně, orgánu uvnitř žijícího organismu. Dojde k nafouknutí, prasknutí a vylití obsahu buňky, které způsobí poté nap. zánět okolní tkáně. Nekróza na dolní končetině: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/37/necrotic_leg_wound.png 2
Odkazy a doporučená literatura: Učebnice JELÍNEK, Jan a Vladimír ZICHÁČEK. Biologie pro gymnázia: teoretická a praktická část. 6. rozš. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2003. 574 s. ISBN 80-7182-159-4. CIBIS, Norbert. Člověk: učebnice biologie člověka pro gymnázia a další střední školy. Translated by Rudolf Linc. 1. české vyd. Praha: Scientia, 1996. 215 s. ISBN 80-7183-031-3. HANČOVÁ, Hana a Marie VLKOVÁ. Biologie v kostce. Vyd. 2. Havlíčkův Brod: Fragment, 1999. 112 s. ISBN 80-7200- 340-2. NOVOTNÝ, Ivan a Michal HRUŠKA. Biologie člověka. 3., rozš. a upr. vyd. Praha: Fortuna, 2002. 239 s. ISBN 80-7168- 819-3. Zdroje obrázků: MAD. wikimedia [online]. [cit. 2.7.2013]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/dna_replication_split.svg/220px- DNA_replication_split.svg.png MASUR. wikimedia [online]. [cit. 2.7.2013]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0a/replication_fork.svg/220px- Replication_fork.svg.png BOUMPHREYFR. wikimedia [online]. [cit. 2.7.2013]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/replication_complex.png BEAO. wikimedia [online]. [cit. 2.7.2013]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/cell_cycle_2-2.svg/587px-cell_cycle_2-2.svg.png 3
Replikace Pracovní list Nastudujte úvodní informace k tématu a prohlédněte si přiložený obrázek. Poté vyvozujte odpovědi, dohledejte údaje či odpovídejte na přímo zadanou otázku. 1. Objasněte pojem replika. 2. Jakou strukturu má zde na obrázku vlákno DNA? a) b) 3. Jaký je účel replikace? 4. Jakou barvou je označen templát zde na obrázku a co to je? 5. Jakou povahu mají látky, které jsou na obrázku znázorněny oválem: Co značí koncovka - asa v názvu látky? 6. Co řídí a zahajuje replikaci? 7. Co je to primer? 8. Pojmenujte nejdůležitější z enzymů, které umožňují průběh replikaci. 9. Vyhledejte, poté objasněte význam zkratky PCR. 10. Napište vzorec deoxyribosy a očíslujete uhlíky. 4
Příloha: Téma: REPLIKACE povinné vzorce, pojmy Buněčné jádro Dědičnost Chromozomy Bakteriální chromrosom Dělení jádra Nukleotid Heterocyklická sloučenina Puriny Pyrimidiny Dusíkatá báze Deoxyribosa Ribosa Replikace DNA polymerasa Matrice, templát Replikační vidlice Primer Buněčný cyklus Generační doba S fáze Kontrolní bod buněčného cyklu G 0 G 1 G 2 5