DOD A TEK 1
Mitochondriální (mt) DNA Jak už bylo řečeno v kapitole II a IV, molekula mtDNA sestává z 16 569 bázových párů a obsahuje 37 genů. V detailním pohledu zachytíme určité zvláštní vlastnosti mt genetického kódu, odlišné od uspořádání genomu jaderného. Např. genové sekvence vykazují extrémní prostorovou úspornost v tom smyslu, že geny nemají, nebo mezi geny je jen minimálně nekódujících bází, geny postrádají nekódující sekvence (introny), zvláštní je nepřítomnost terminálních kodonů ve většině čtecích rámců (což je spojeno s určitými zvláštnostmi v expresi mt genů… atd.). mtDNA je sestavena ze tří typů stavebních jednotek (pětiuhlíkatý cukr deoxyribóza, dusík obsahující báze a fosfát) a jejich uspořádání, založené na komplementárním párování bází, vzniká stejným způsobem jako jaderná DNA, jejíž schéma je uvedeno v Dodatku 3. Čím se mtDNA odlišuje, je její uspořádání do kruhového chromosomu, který je schematicky znázorněn na obr. 12. Kruhovou dvojřetězcovou DNA tvoří „těžký“ (H) a „lehký“ (L) řetězec s poněkud odlišným chováním během replikace. Dohromady obsahují těch 37 genů, z nichž 28 nese H-řetězec a 9 L-řetězec. Genovými produkty jsou: 22 molekul mt-tRNA, 1 molekula 23S rRNA (součást velké podjednotky ribosomů) a 1 molekula 16S rRNA (součást malé podjednotky ribosomů). Zbývajících 13 genů kóduje polypeptidy. Sedm z nich, kódujících nepatrně odlišné formy důležitého enzymu NADH dehydrogenázy, je vyznačeno na obrázku. Jak je popsáno v kapitole II, mitochondrie jsou organely v eukaryotních (jaderných) buňkách mající klíčovou úlohu v buněčné energetice. Krebsův cyklus, rovněž zmíněný v kapitole II, představuje cyklickou metabolickou dráhu, tvořenou osmi stupni chemických reakcí, ve kterých je část Gibbsovy volné energie metabolitů z potravy zachycena nukleotidy NAD, FAD a ADP pro energetické potřeby buňky. Následně dýchací řetězec využívá energii elektronů, procházejících (jak uvedeno v kapitole II) velice důmyslnou a zcela jistě ne jednoduchou strukturou. Přiblížíme-li si toto složité uspořádání analogií
98
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS183967
GA
D-smyčka
kontrolní oblast 16023
192 G A Sh
14148
N7 14674 14151
3306
N6 N1 4263 12338
4471
12138 N2 N5 Sl
5512
N4 10762(4)
N3
10471 10405 10060
Obr. 12. Mitochondriální DNA člověka. H- a L-řetězec je vyznačen vnější a vnitřní kružnicí. Sekvence bází v H-řetězci je číslována od 1 do 16 569. SH a SL vyznačují začátek a směr syntézy H- a L-řetězce. Geny N1– N7 představují sedm forem enzymu NADH dehydrogenázy. G, A, jsou okrajové báze guanin a adenin. Popis „D-smyčky“ a „kontrolní oblasti“ je v textu
s hydroelektrárnou, tato energie může být vyčíslena potenciální energií, tj. hladinou vody nad turbinami. Jak můžeme vyčíslit potenciální energii dýchacího řetězce? Energie, která je k dispozici, může být vyjádřena jako termodynamický potenciál, pro naše účely vyjádřený v explicitní formě redox potenciálu. Primárním zdrojem energie jsou spřažené oxidačně-redukční reakce, krátce redox reakce v Krebsově cyklu, v nichž metabolity existují v jejich oxidované (Mox) a redukované (Mred) podobě. Příkladem může být sukcinát-fumarátový systém: COOH – CH2 – CH2 – COOH (Mred) ↔ COOH – CH = CH – COOH (Mox) + 2H+ + 2e–
99
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS183967
Jeho redox potenciál je dán součtem tzv. standardního redox potenciálu (v analogii s padající vodou to bude výška umístění turbín. Pro uvedenou chemickou reakci se standardní potenciál rovná nule voltů) a poměru koncentrací Mox/Mred (přesněji řečeno je redox potenciál úměrný logaritmu tohoto poměru. V analogii to může být výška hladiny vody). Nyní si v jiné analogické situaci představte starou paní, která na nástupišti nastupuje do vlaku a potřebuje, aby dveře vagonu byly na stejné úrovni, jako je nástupiště. Podobně systém NAD+/NADH (jehož standardní redox potenciál = –0,32 V) musí mít stejný potenciál jako daná dvojice metabolitů, aby je bez ztráty energie připojil k dýchacímu řetězci. No a protože je v Krebsově cyklu sedm takových párů metabolitů, je to důvodem, proč je „taková pozornost“ věnována expresi NADH, kdy sedm příslušných genů představuje téměř pětinu celého mt genomu. Když jste se pročetli až do tohoto místa, stáváte se expertem, který zná vše, téměř vše, co se týká mt genomu a mt energetiky. Nicméně ale, v souvislosti s kapitolou II, musíme ještě věnovat pozornost replikaci mtDNA člověka. Replikační proces začíná syntézou H-řetězce ve specifickém místě nazývaném kontrolní oblast (podle číslování bázových párů použitého na obr. 12 je počátek na pozici 192). Syntéza dceřiného H-řetězce pokračuje jednosměrně proti otáčení hodinových ručiček (používajíc L-řetězce jako matrici po odchlípení starého H-řetězce) do dvou třetin dráhy podél molekuly, až do sekvence na pozici 5742–5753. V tomto místě je spuštěna replikace L-řetězce. Jednosměrná syntéza L-řetězce z tohoto místa pokračuje opačným směrem, tj. ve směru hodinových ručiček kolem molekuly (používajíc H-řetězec jako matrici). Kontrolní oblast je tvořena 546 bázovými páry (od 16 023 do 16 569) a v této části je DNA dokonce trojřetězcová. Je tomu tak proto, že se krátká sekvence H-řetězce replikuje ještě podruhé, za vzniku sekvence o 192 bázových párech, označované jako 7S DNA nebo D-smyčka (the displacement loop, na obr. 12 vyznačena čísly 1–192). Jak můžeme vyvodit z těchto skutečností, kontrolní oblast má klíčovou roli v replikaci mtDNA, tzn. při správném dělení mitochondrií. Srovnávací studie mtDNA různých lidí nebo lidských populací odhalily značný počet mutací. Příčinou je fakt, že kontrolní oblast nemá žádný gen, což představuje v kontextu této knihy značnou výhodu. Kdyby tomu tak nebylo, mutace by poškodily
100
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS183967