DNA, plněné taštičky a nejdelší slovo na světě

Fajn, spusťte to! Víte, co to je? Tohle je nejdelší slovo na světě. A tím myslím kdekoli a v jakémkoli jazyce. Má přes 189 000 písmen. Kdybyste ho napsali, i když nevím, proč by to kdo dělal, zabralo by přes 100 stran A kdybyste ho chtěli říct, a nevykloubit si při tom čelist, zabralo by to nejméně pět hodin. A co je to za slovo? Je to jméno nejdelšího známého proteinu na světě. A právě teď ho máte ve svém těle. Kvůli své velikosti má jméno Titin. Toto jméno se píše se dvěma I, Tento protein je důležitý, protože dává svalům pružnost... Dnes se budeme bavit o DNA a o tom, jak spolu se 3 druhy RNA spouští chemické kung-fu a umožňuje syntézu proteinů jako je tento. Protože vysvětlení chvíli zabere, pojďme si udělat nějaké taštičky. (Hudba) Mmm, šunka a sýr, moje oblíbená. Kdykoli si kousnu, dívím se, jak to dělají. Jak dostanou přesně tu samou chuť do každého z těch kartonových balíčků? Určitě mají nějaký supertajný manuál, ke kterému mají přístup jen dva lidé, a protože já tu mluvím o biologii, napadá mě jedna podobná otázka. Jak jsem mohl být stvořen pomocí těch DNA instrukcí a organických molekul, o kterých se tu bavíme? Co chci dnes dělat popravdě nejsou taštičky. Není to dokonce ani člověk. Chci mluvit o transkripci a translaci DNA, pomocí kterých se z nás stala ta chutná stvoření, kterými jsme dnes. I když, nikdo z nás neví, jak chutní lidé vlastně jsou. Zvířata, rostliny a taštičky nejsou nic jiného než slaná voda, sacharidy, tuky a proteiny, které jsou zkombinované v daných poměrech podle jasných instrukcí. Řekněme, že bych si chtěl vyrobit své vlastní taštičky. Musel bych se dostat do továrny na taštičky, získat manuál, pak bych si musel přečíst, jak postavit stroj, ve kterém bych taštičky vyráběl, a musel bych znát poměr ingrediencí. Pak si to ve zkratkách rychle opsat, než mě chytí taštičková policie. Pak bych šel domů, podle instrukcí postavil stroj, a mixoval suroviny tak dlouho, dokud bych nedostal dokonalou taštičku. A to je to, jak vznikáme i my. Vše začíná v buněčném jádře. DNA manuál je se zkopíruje, gen po genu, pomocí transkripce na jeden typ RNA, a pak přenesen ven z tohoto prostoru. Instrukce jsou pak využity pro translaci, pomocí které se z aminokyselin tvoří polypeptidy, nebo proteiny, ze kterých se skládají všechny typy látek, od tady Titinu... po keratin v mých vlasech. Většina polypeptidů ale nejsou strukturní proteiny, narozdíl od vlasů, které jsou tvořeny v enzymatickém spojovacím stroji, který láme a zase spojuje sacharidy, lipidy a proteiny, a ty tvoří různé typy buněčného materiálu. Takže, enzymy jsou jen další geniální způsob, jak v továrnách vyrobit něco jako tohle. Dobře, a teď se podíváme, co je mimo jádro. Délka DNA, kterou přepisujeme do RNA, se nazývá transkripční jednotka. A řekněme, že v tomto případě tato jednotka zahrnuje gen, který se přepisuje pro výrobu našeho milého Titinu, což u lidí vede k zakřivení druhého chromosomu. Každá transkripční jednotka nad sebou v řetězci sekvenci. Té se říká horní, biologové říkají horní na řetězci, a tato sekvence určuje, kde začíná transkripční jednotka. Tato speciální sekvence je promotor, a skoro vždy obsahuje sekvenci dvou ze čtyř dusíkatých bází, o nichž jsme mluvili v minulém díle: adenin, thymin, cytosin a guanin. V tomto případě je promotor jednoduchý. Máme thymin, adenin, thymin, adenin a pak A, A, A, a pak na druhé straně A, T, víte proč, že ano? Tohle se jmenuje TATA box. Je téměř univerzální, a pomáhá enzymu určit, kam na řetězci se má navázat. Jak již víte z dílu o struktuře DNA, DNA řetězec může běžet v jednom nebo dvou směrech, v závislosti na tom, který konec řetězce je volný, a který je vázaný fosfátovou vazbou. Jeden směr je od 5-primeru ke 3-primeru, a druhý je od 3-primeru k 5-primeru V tomto případě nahoru znamená směrem k 3-primeru, a dolů znamená směrem k 5-primeru. Prvním enzymem v tomto procesu je RNA polymerasa, která kopíruje DNA sekvenci směrem dolů na TATA box, tedy směrem k 5-primeru, a kopíruje jej v podobném jazyce, messenger RNA. Jenom bokem, určitě jste si všimli, že abychom mohli přečíst DNA, a tak vyrobit enzym, potřebujeme na prvním místě enzym. Máme tu problém slepice a vejce, pro vznik DNA potřebujeme enzym, a vznik enzymu vyžaduje DNA. Takže odkud se vzala první RNA polymerasa, když jsme ji ještě nevyrobili? To je výborná otázka. Ukázalo se, že všechny tyto problémy za vás vyřešila vaše maminka, která do svého vajíčka zabalila mnohem víc než jen DNA, a tím nám dala zdravý základ. Takže, díky, mami. RNA polymerasa se váže na DNA na TATA boxu, a začíná rozpojovat dvoušroubovici. Zatímco pracuje na DNA řetězci, enzym čte dusíkaté báze, to jsou ta písmenka, a pomáhá RNA verzi těchto dusíkatých bází, které plují jádrem, najít místo, kam se navázat. Jak si asi vzpomínáte z minulých lekcí, tyto dusíkaté báze mají jen jednoho partnera, se kterým se mohou vázat. Ale RNA, tady je to ta růžová, nemá thymin, narozdíl od DNA, která je modrá a zelená. Namísto toho má uracil. Takže, U se tady objevuje místo T, coby partner adeninu. Jak se pohybuje, RNA polymerasa za sebou DNA opět zavírá, a nový řetězec messenger RNA se objevuje tady vedle. Jakmile RNA sekvence dosáhne další sekvence dole, zvané terminační signál, který ji přinutí opustit řetězec. Teď už zbývá jen provést poslední úpravy před opuštěním bezpečí buňky. Zaprvé, na konec u 5-primeru se přidá speciální typ guaninu. Je to první část mRNA, kterou jsme zkopírovali, a říká se jí 5' čepička Na druhém konci řetězce to pak vypadá, jako bych usnul, a přitom zapomněl prst na klávesnici na A, ale ve skutečnosti další enzym přidal 250 adeninů na konec ke 3-primeru. Tento konec se nazývá poly(A) konec. Tyto čepičky na obou koncích molekuly mRNA nejen že usnadňují mRNA opuštění jádra, ale také ji chrání před poškozením ze strany enzymů. Kromě toho také mRNA usnadňuje pozdější napojení na ostatní organely. Ale to pořád není konec... Jak kdyby mě to chtělo zmást, a tím ochránit recept na taštičky, původní recept obsahuje také spoustu zavádějících informací, Takže ještě než informace opustí jádro, je potřeba, aby se RNA zbavila těchto zavádějících částí. Tomuto procesu se říká stříhání RNA, a funguje podobně jako sříhání tohoto videa. Je to hodně složitý proces, řekneme si jen o dvou klíčových hráčích, protože mají super cool jména. Zaprvé jsou to snRNPs (vysloveno snurps), tedy malé jaderné ribonukleoproteiny. Jsou kombinací RNA a proteinů, a rozpoznávají sekvence, které signalizují začátek a konec vystřihovaných oblastí. Snurps se shlukují s ostatními proteiny, a tvoří spliceozom, který provádí samotné stříhání, a to tak, že rozkládá nepotřebné části na dusíkaté báze, které se dají znovu použít pro DNA a RNA, a pak slepuje ty správné části k sobě. Ty správné části, které jsou mimochodem stříhané společně, se jmenují exony, protože se později projeví. To nepotřebné, co se vystřihne, se nazývá intervenující segmenty, nebo introny. Materiál z intronů zůstává v jádře a recykluje se. Například se předpokládá, že tady Titin má stovky exonů. Počet jeho exonů na konci procesu by měl být přes 360, což je víc, než má jakýkoli jiný protein. Titin take obsahuje nejdelší lidský intron, který má přes 17 000 párů bází. Titin je tedy držitelem světového rekordu, a když dostane ochranu a je upraven, může messenger RNA opustit jádro. Dobře, teď krátká rekapitulace naší taštičkové mission impossible Vnikli jsme ke zdroji informací, ve zkratce jsme si je opsali, přidali jsme bezpečnostní kódování, vyhodili jsme nepotřebné poznámky, a utekli od zdroje. Nyní jsme si tedy přečetli poznámky, vyrobili stroj a dali dohromady ingredience. Tento proces se nazývá translace. Teď prohrabejte svou paměť, nebo se znovu koukněte na video, konkrétně na díl o živočišných buňkách. Pamatujete se na hrubé endoplazmatické retikulum? Doufám, že ano. Tyto malé tečky na membránách jsou ribosomy. Ribosomy spolknou mRNA, stejně jako automat bankovku. Ribosomy jsou směsí proteinů a dalšího typu RNA, zvaného ribozomální RNA, nebo rRNA, které společně fungují jako pracovní prostor. rRNA neobsahuje žádnou genetickou informaci, ale obsahuje vazebná místa, a ta umožňují příchozí mRNA interagovat s dalším speciálním typem RNA, třetím v tomto procesu, zvanou transferová RNA, nebo také tRNA. tRNA bychom take mohli říkat translační RNA, protože to přesně dělá: překládá z jazyka nukleotidů do jazyka aminokyselin a proteinů. Jeden z konců tRNA je aminokyselina. Na druhém konci je tato specifická sekvence tří dusíkátých bází. Tyto dva konce pasují jeden ke druhému. Každá z dvaceti aminokyselin v našem těle má na konci svou vlastní sekvenci. Takže když má tRNA například na jednom konci aminokyselinu methionin, bude mít na druhém konci nukleotidovou sekvenci UAC. Je to jako skládání puzzle. mRNA klouže skrze ribosom, ribosom čte 3 písmena mRNA najednou, a každý tento set se nazývá triplet - kodon. Ribosom pak vyhledává pasující kousek puzzle, tedy tRNA se třemi bázemi, které se párují se sekvencí kodonu. Tento konec tRNA se mimochodem jmenuje antikodon. Promiňte všechny ty pojmy. Potřebujete je znát! A samozřejmě, tím, že přináší pasující tRNA, ribosom také navazuje aminokyselinu, která se na tuto tRNA váže. Začínáme na konci s 5-primerem, který se váže na ribosom, potom přijde na řadu 5' čepička. Skoro na každém genu najdete na mRNA nukleotidovou sekvenci AUG. Ribosom nachází tRNA s antikodonem UAC, a na druhém konci této tRNA je methionin. mRNA pak klouže po ribosomu, takže je možné přečíst další kodon, a tak se naváže další tRNA molekula se správným antikodonem. Jestliže je antikodon UUA, pak pasující kodon má na jednom konci AAU, a na druhém konci leucin. A když má mRNA AGA, pak k ní příslušná tRNA má na jednom konci UCU, a na druhém konci arginin Nová aminokyselina se váže na původní aminokyselinu, a tak vzniká polypeptid, který je naprostým, naprostým základem proteinu. To ale není jediná cesta ke čtení kódu, protože UUA není jediný kódující triplet leucinu. UUG jej může kódovat také a arginin je kódován hned šesti různými triplety. To je dobře, protože můžeme udělat pár chyb v kopírování, transkripci a translaci DNA, bez vlivu na výsledný produkt. Proces pokračuje posunem mRNA, při kterém ribozom přináší další tRNA s další aminokyselinou, a ta se váže na existující řetězec, a tak dál, dál a dál. Někdy je potřeba tisíců aminokyselin na jeden polypeptidový řetězec, například toto slovo jsou v podstatě jen jména aminokyselin v této sekvenci, v pořadí, v jakém se objevují v proteinu, všech 34 350. Ale než si vyrobíme vlastní taštičky, a tahle šňůra aminokyselin se stane mou svalovou tkání, musíme trochu skládat. Je to proto, že proteiny nejsou jen sakra velké, ale mohou se tvořit naprosto úžasné, velmi komplexní útvary. Jedním z klíčů k pochopení fungování proteinů je pochopení jejich skládání, a vědci se už desítky let snaží vyvinout počítačové programy, a pochopit skládání proteinů... Sekvence aminokyselin v polypeptidu, jak ji vidíte tady dole, se jmenuje primární struktura. Aminokyseliny jsou kovalentně vázané v řadě za sebou. Ale některým aminokyselinám nestačí držet dvě další, jsou prostě trochu promiskuitní. Vodíky na ose aminokyselin někdy rády tvoří postranní vazby. Vodíky se váží na kyslíky z jiných aminokyselin. Kvůli primární struktuře se pak řetězec ohýbá, skládá, stáčí do spirál, a řetězec spirál tvoří šroubovici. Někdy také několik lomených řetězců leží paralelně vedle sebe a tvoří skládané listy. Všechny tyto vodíkové můstky a listy jsou to, co dělá třeba hedvábí silným. Takže nakonec naše slibné aminokyseliny vedly k pomačkaným listům. Aha! Vodíkové můstky také tvoří sekundární strukturu polypeptidů, ale tím to nekončí. Pamatujete si R skupiny aminokyselin? Některé z nich jsou hydrofobní, a protože proteiny jsou v buňce, což je hlavně voda, všechny tyto hydrofobní skupiny se snaží schovat se před vodou tak, že se tisknou k sobě. A řetězec se dál ohýbá. Jiné R skupiny jsou hydrofilní, a když nic jiného, tak tvoří vodíkové můstky s dalšími hydrofilními R skupinami. Takže dostaneme více vazeb, více ohybů, a naše jednoduchá čára nyní zaujala masivně komplexní, trojrozměrný tvar. To také vysvětluje, proč si mohu pomocí vody upravit vlasy. Voda rozkládá vodíkové můstky v keratinu, a jeho struktura povoluje. Takže je mohu rozčesat, a když uschnou, vazby se obnoví, a voila, perfektní účes! A tento tvar, způsobený vazbami mezi R skupinami, dává našemu polypeptidu jeho terciální strukturu. A tak nyní máme masivní, zamotaný polypeptidový řetězec, který je ale ve skutečnosti přesně poskládaný. Někdy je celý enzym či protein tvořen jen jedním řetězcem, ale u jiných proteinů, jako hemoglobin, tvoří několik řetězců společně kvarterní strukturu Rychlé opakování struktury. Sekvence je primární struktura. Osa z vodíkových můstků tvoří listy a spirály, tedy sekundární strukturu. R skupiny jsou terciální, a uspořádání více proteinů společně dá kvarterní strukturu. Tyto polypeptidy jsou strukturní proteiny, jako ten tady dole, který můžete najít ve vašem svalu, nebo v mojí taštičce, ale mohou být i enzymy. Enzymy rády něco dělají, krájí biologické molekuly, stejně jako já s nožem, mohou míchat materiál, a mohou jej i spojovat. Takže z jednoho receptu dostanu všechny suroviny, ale i všechny nástroje, potřebné k mému stvoření. Což je ještě lepší než taštička. Souhlasíte?