57

3. NUKLEINSAVAK

3.0. Bevezetés

Az élı szervezet jellemzı sajátossága az önreprodukció képessége, amivel faji és

egyedi sajátosságait utódaira átörökíti. Ehhez minden élılényben van egy nagy részben

állandó, az elızı generációtól kapott információkészlet, amit a dezoxiribonukleinsav (DNS)

molekula (retrovírusoknál a ribonukleinsav: RNS) tartalmaz. A nagyon egyszerő

szervezeteknél (egyes baktériumok, kékmoszatok) a sejtben egyetlen kettıs-szálú DNS

molekula található. A fejlettebb élılényeknél több kettıs szálból álló DNS molekula

(kromoszóma) található fıleg a setjmagban (pl. az Escherichia coli baktérium sejtmagjának

DNS-e 4,7 millió nukleotidpárt tartalmaz). A Human Genom Program, mely az ember teljes

genetikai információjának feltárására irányul, és a DNS láncunk (kinyújtva 2 m hosszú

molekula) mintegy hárommilliárd nukleotidjának sorrendjét határozza meg, várhatóan a

közeljövıben fejezıdik be.

3.1. Nukleinsavak szerkezete

A nukleinsavak három komponensbıl tevıdnek össze: cukor, nitrogén tartalmú

heterociklusos bázis és foszforsav. A cukorkomponens alapján a nukleinsavakat két részre

oszthatjuk:

1. Ribonukleinsavak (RNS), D-(-)-ribózt tartalmaznak.

2. Dezoxiribonukleinsavak (DNS), 2-dezoxi- D-ribózt tartalmaznak.

CHO

OH

OH

OH

CH2 OH

CHO

H

OH

OH

CH2 OH

D-(-)-ribóz(2R, 3R, 4R)

β-D-ribofuranóz 2-dezoxi-D-ribóz β-D-2-dezoxi-ribofuranóz

O OHCH2

OH OH

HO O OHCH2

OH H

HO

58

A nukleotidokban leggyakoribb hat bázis pirimidin és purin bázisokra osztható.

Pirimidin győrőt tartalmaz az uracil, a citozin és a timin. Purin váz található az adeninben, a

guaninban és a hipoxantinban.

N

N

N

N

OH

OH N

NH

O

O

H

N

N

NH2

OH N

NH

O

O

H

CH3

N

N

NH2

O

H

pirimidin uracil: 2,4-dihidroxipirimidin

citozin: 4-amino-2-hidroxipirimidin timin: 5-metiluracil

N

N

N

N

H

1

2

34

56 7

89

N

N

N

N

H

NH2

6

9

N

N

N

N

H

O

H2N

H6

2N

N

N

N

H

O

H6

purin: imidazo [4,5-d] pirimidin adenin: 6-aminopurin

guanin: 2-amino-6-hidroxipurin hipoxantin: 6-hidroxipurin

A ribonukleinsavakban a pirimidin bázisok közül uracil és citozin fordul elı. A

dezoxiribonukleinsavak timint és citozint tartalmaznak. A purin bázisok (adenin és guanin)

mindkét nukleinsavban azonosak.

59

A felsorolt bázisokon kívül még elıfordul az 5-metilcitozin (pl. növényi sejtekben)

és N-6-metiladenin (prokariota sejtekben).

A nukleinsavakban ismétlıdı monomer részeket nukleozidoknak hívjuk. A

nukleozidokat 3',5'-helyzetben foszforsav kapcsolja össze észter kötéssel (nukleotid

egységek, 3.1. és 3.2. ábra).

A nukleotid monofoszfátok pKa értéke 1 és 6 körüli, azaz vizes közegben a

foszforsav monoészter dianionként van jelen.

3.1. Ábra.

Ribonukleotidok

Az 3.1. és 3.2. ábrákban felsoroltakon kívül néhány nukleotid jelentıs szerepet

játszik metabolitikus folyamatokban (szabályozók), vagy energiaátvivı anyagok.

O NCH2

OH OH

O

NH

O

OP

OH

OH

OO NCH2

OH OH

O

N

NH2

OP

OH

OH

O

uridilsav (UMP)

[uridin: U]

pKa1= 1,0

pKa2= 6,4

pKa1= 0,8

pKa2= 6,3

pKa1= 0,9

pKa2= 6,1

pKa1= 0,7

pKa2= 6,1

citidilsav (CMP)[citidin: C]

[adenozin: A]

adenilsav (AMP)[guanozin: G]

guanilsav (GMP)

N

N

N

N

NH2

O

OH

OH

P O

OHOH

CH2 O

N

N

N

N

O

O

OH

OH

P O

OHOH

CH2 O

H

NH2

60

timidilsav (dTMP) 2-dezoxi-citidilsav (dCMP)

2-dezoxi-adenilsav (dAMP) 2-dezoxi-guanilsav (dGMP)

O NCH2

OH

O

NH

O

O

CH3

P O NCH2

OH

O

N

NH2

OP

P

N

N

N

N

NH2

O

OH

CH2 O

N

N

NH

N

O

NH2O

OH

CH2 OP

3.2. Ábra.

Dezoxiribonukleotidok

Adenozin-5'-trifoszfát (ATP): Élı szervezetek fı energiatároló és energiaátvivı

anyaga. Különösen sokat tartalmaznak az izmok. Vizes közegben 75%-ban teljesen

disszociált formában van (pKa1 = 2,5; pKa2 = 6,5) és a négy negatív töltést viselı

képzıdmény Mg-sóként stabilizálódik.

ATP

N

N

N

N

NH2

O

O

O

P O

O

O

P O

O

O

P O

OHOH

CH2 O

61

Az ATP enzimkatalizált hidrolízisénél egy foszforsav egység lehasadásával

adenozin-5'-difoszfát (ADP) keletkezik és 30 kJ/mol energia szabadul fel. A pirofoszfát

egység lehasadása is exoterm (35 kJ/mol).

Guanozin-5'-trifoszfát (GTP): Az ATP-hez hasonló energiaátvivı szerepet tölt be a

peptidszintézisekben.

GTP

OCH2

OH OH

OP

O

O

OO

O

O

P O

O

O

P

NH2

O

N

NH

N

N

Adenozin-3',5'-ciklofoszfát (cAMP): A sejtmembránhoz érkezı információk és

utasítások továbbítását (másodlagos hírvivı) és a sejten belüli információk továbbítását

végzi. A hormonális úton (elsıdleges hírvivı) érkezı információ a sejtfal G-fehérjéiben

konformációs változást okoz, ami kiváltja az ATP átalakulását cAMP-vé. Az utóbbi protein

kinázt aktiválva egy sor enzimet aktiválhat (pl. glikogén lebontása glükóz-1-foszfáttá).

Guanozin-3',5'-ciklofoszfát (cGMP): A cAMP-hez hasonló másodlagos hírvivı

szerepet tölt be. Elsısorban sejten belüli szabályozó szerepe van.

cAMP cGMP

O

O OH

O

P

O

O

NH2

O

N

NH

N

N

O

O OH

O

P

O

O

NH2

N

N

N

N

62

Inozin-5'-monofoszfát (IMP): A purin nukleotidok bioszintézisének intermedierje. Általában

nem halmozódik fel a sejtekben, gyorsan kétlépéses folyamatban AMP-vé vagy xantozin-5'-

monofoszfáton (XMP) keresztül GMP-vé alakul.

IMP XMP

OCH2

OH OH

OP

O

O

O

O

N

NH

N

N N

N

NH

N

O

H

O

O

O

O

P O

OHOH

CH2 O

3.2. Nukleinsavak bioszintézise

Az élılények a pirimidin nukleotidokat aszparaginsavból és glutamátból képezett

karbamoil-foszfátból építik fel enzimkatalizált reakciókkal (3.3. ábra).

A purinvázas nukleotidok biosztinézise foszforibozil-aminból és glicinbıl kiindulva

összetett reakciósorral történik. A 3.4. ábrán a purin egyes atomjainak eredetét tüntettük fel.

A polinukleotidokban a nukleozid egységek 3',5'-foszforsav-diészter kötésekkel

kapcsolódnak egymáshoz. A kötés kialakítása erısen endoterm folyamat (a szabadenergia

változás +25 kJ/mol), így energia közlését igényli. A szükséges energiát nukleozid-trifoszfát

(általában ATP) biztosítja. A folyamat alapreakciója:

(2 ADP → AMP + ATP)

Nukleozid-trifoszfát → nukleozid-monofoszfát + pirofoszfát (-30 kJ/mol)

(Polinukleotidlánc)n+nukleozid-monofoszfát→(Polinukleotidlánc)n+1+H2O (+25 kJ/mol)

A polinukleinsavak instabilis molekulák de hidrolízisük katalizátor nélkül lassú. A

gyomorban található enzimek nem bontják, de a hasnyálmirigy ribonukleáz és

dezoxiribonukleáz enzimjei oligonukleotiddá bontják a vékonybélben, majd tovább

hidrolizálódnak a foszfodiészteráz enzim (foszfatáz) hatására. Végülis 5'- és 3'-

63

mononukleotidokat kapunk, amelyek tovább hidrolizálódnak, és a képzıdött nukleozidok

szívódnak fel a béltraktusból.

2 ATP + HCO3 + glutaminNH2

C

OPO3

O2

aszpartát

2 ADP + Pi+ glutamát

NH2

CNO

CH

H

CH2

CO2

COHO

karbamoil-aszpartát

N

N

O

O CO2

H

HN

N

O

O CO2

H

H- H2O foszforibozil-pirofoszfát

dihidroorotát orotát

- CO2

orotidin-5'-monofoszfát uridin-5'-monofoszfát

2

O

OH OH

OO3P

H

CO2O

O

N

N

2

N

N

O

O

H

O3P O

OHOH

O

3.3. Ábra.

Pirimidin nukleotidok bioszintézise

N

CN

C

CC N

C

N

Gly

N - formil-THF10

N - formil-THF10

Glu

Glu

CO2

Asp

N

CN

C

CC N

C

N

3.4. Ábra.

A purin atomjainak eredete

3.3. Nukleinsavak szintézise

64

A polinukleinsavak felépítése két nukleozid egység közötti 3',5'-foszforsav-diészter

kötés kialakítását jelenti.

H

O B''

O

P O

N H

CH3

CH(CH3)2(CH3)2CH

ODMTrO

O

B'

C

CH2

ODMTr

O

C

NH

O

CH2

O

Si...

2

3

O

CH3O

O

DMTr

P

O

O

B''O

B'

O

Si...

O

CH3O

O

DMTr

P

O

O

B''O

B'

O

Si...

OI2

O

O

O

P

HO

O

B''O

B'

O H

O

O

O

B'

C

CH2

HO

O

C

N H

O

CH2

O

Si...

2

3

1.C l2CHCOOH

2. NH 4OH

Cl2CHCOOH

3.5. Ábra.

Polinukleinsavak szintézise

65

Ehhez a monomerek bázisainak funkciós csoportjait (pl. NH2) védeni kell, amit

általában benzoil- vagy izobutiril-csoportok segítségével végzünk. Ugyanígy védeni kell az

egyik nukleozid 5'-helyzetében a hidroxilcsoportot. amire a p,p'-dimetoxitritil-csoportot

(DMTr) alkalmazhatjuk. A másik nukleozid 3'-helyzetében a hidroxilcsoportot aktiválnunk

kell, amit a nagyon reakcióképes foszforamidit csoport kialakításával végezhetünk. Az

eljárást a leggyakrabban használt szilárd fázisú technikával mutatjuk be (3.5. ábra).

A szintézisben az 5'-helyzető hidroxilcsoporton védett nukleozidot észter kötéssel

szilikát mátrixhoz kötjük, majd enyhén savas kezeléssel a DMTr csoportot eltávolítjuk. Az

így kialakított 5'-helyzetben szabad nukleozid származékot reagáltatjuk a 3'-helyzetben

aktivált nukleoziddal. A képzıdött dinukleozid származékot jóddal oxidáljuk, majd a DMTr

védıcsoport eltávolítása után (savas kezelés) újabb aktivált nukleozidot kapcsolunk hozzá.

Az oxidációt minden kapcsolás után el kell végezni. A szintézis végén a védıcsoportokat

lúgos kezeléssel eltávolítjuk és a polinukleotidot ammónium-hidroxiddal a szilikátról

lehasítjuk.

3.4. A DNS szerkezete

A DNS molekula lineáris szerkezető két polinukleotid láncból álló kettıs hélix (P-

helix). Elsıdleges szerkezetük alatt a nukleotidok sorrendjét értjük. Ábrázolásukat mindíg az

5'-végnél kezdjük és az alábbi egyszerősített írásmódokat használhatjuk.

P P P P OH

T A C G

5'

3' 3'

5'

3'

5'

3'

5'

pdTdAdCdG pdT-dA-dC-dGvagy

Annak ellenére, hogy a különbözı DNS-ek bázisösszetétele széles határok között

változhat, az adenin és timin, illetıleg a citozin és guanin aránya 1:1. Ugyanis a kettıs

hélixben az egyik lánc adeninje a másik lánc timin bázisával, míg a citidin a másik lánc

guaninjával képez erıs hidrogén kötéseket. A DNS két fonalát (antiparallel láncok) ezek az

A-T ill. G-C bázispárok közötti hidrogénkötések tartják össze.

66

A bázispárok tárgyalt aránya miatt a DNS összetételére elég a GC arányt megadni.

Például, GC 40%-nál a bázisok mennyisége: 20%, G, 20%, C, 30%, A, és 30% T.

A két komplementer DNS szálnál a hidrogénkötéseken kívül további stabilitást jelent

a hélix belsejében a bázisok egymásra helyezése (csomagolási hatás). Ugyanakkor

destabilizációs hatást jelent a negatív töltéső foszforészter részek kölcsönös taszítása és a

hımozgás. Ezek a kettıs spirál gyors elválását és újraképzıdését váltják ki. Magasabb

hımérsékleten a molekulák hımozgását a gyenge kölcsönhatások nem tudják ellensúlyozni

és a két szál elválik egymástól (denaturálódás). A DNS denaturálódásának hımérséklete

annál magasabb (65-75oC), mennél nagyobb a GC tartalma (a G és C bázisok közötti

erısebb hidrogénkötések miatt).

G

C

C

G

A

T

T

A

3'

5'

5'

3'

0,282 nm

N

N

N

N

N H

H

cukorvázN

N

CH3

O

O

cukorváz

H0,291 nm

1,085 nm

A

T

A T

0,284 nm

0,292 nm

0,284 nm

G C

N

N

N

Ncukorváz

N

N

O cukorváz

O

N

N

HH

HH

H

1,085 nm

G

C

3.6. Ábra.

A bázispárok között kialakuló hidrogénhidak

67

A DNS denaturálódásának hımérséklete az oldat ionerısségétıl is függ. Alacsonyabb

sókoncentrációnál a negatív töltések kölcsönös taszítása erısebb.

A kettıs spirál modelljét Watson és Crick tárta fel. A kettıs spirálban a bázisok belül

vannak és a poláros hidrofil részek (dezoxiribóz és foszfordiészter) kívül helyezkednek el. A

spirál egy fordulata 3,4 nm-enként következik be, ami 10,5 bázist érint. A molekula

átmérıje 2 nm és a bázisok közötti távolság 0,34 nm. A bázispárok ugyanabban a síkban

helyezkednek el és közel merılegesek a spirál tengelyére.

Az eredeti hélixmodell késıbb módosult. A DNS leggyakoribb úgynevezett B-

formájában a bázisok nem pontosan merılegesek a hélix tengelyére. Az eltérés mintegy 6o

(3.7. ábra).

3.7. Ábra.

A DNS B-formája

(A második ábrán az egyik láncot zöld színnel jelöltük. A harmadik és negyedik ábrák a

különálló láncokat mutatják)

68

A bázisok a hélix tengelyéhez közel helyezkednek el, és a tengely átmegy a

hidrogénkötések között. A hélix külsı részén két különbözı mélységő vájat van. Híg

oldatokban a víz a kisebb vájatba beépül. A nagyobb vájat teszi lehetıvé, hogy a bázisok

más molekulák részére hozzáférhetık legyenek.

A DNS A-formáját alacsony víztartalomnál úgynevezett mikrokristályos állapotra

észlelték. Az A-formában a bázisok a hélix tengelyétıl távolabb helyezkednek el és erısen

hajlanak a tengely felé (3.8. ábra). Ebben a formában a két vájat közel azonos mérető.

3.8. Ábra.

A DNS A-formája

(A második ábrán az egyik láncot zöld színnel jelöltük. A harmadik és negyedik ábrák a

különálló láncokat mutatják)

A DNS Z-formájában a C1'-N kötésre a konformáció — az eddigiektıl eltérıen —

szin (3.9.ábra), és a spirál balmenető (M-hélix).

Egyes DNS molekulák győrős szerkezetőek, ami akkor alakulhat ki ha egy szál (vagy

mindkettı) a végénél foszforsav diészter kötésekkel van összekötve.

69

3.9. Ábra.

A DNS Z-formája

(A második ábrán az egyik láncot zöld színnel jelöltük. A harmadik és negyedik ábrák a

különálló láncokat mutatják)

3.5. RNS Szerkezete

Az RNS molekula szerkezete — hasonlóan a DNS-éhez — három szinten

tárgyalható. Elsıdleges (primer) szerkezeten itt is a molekula 3',5'-foszfodiészter kötésekkel

összekapcsolt bázisainak sorrendjét értjük.

P P P P OH

G A U C

OH OH OH OH

pGpApUpC

pG-A-U-C

70

Másodlagos (szekunder) szerkezet alatt az RNS lánc hidrogénkötésekkel

összekapcsolt részleteit és ezekkel kialakuló térbeli elrendezıdéseket értjük. Hidrogénhidak

uracil és adenin, valamint citozin és guanin bázisok között alakulhatnak ki.

U

A

98

76 5432

1

12 3

456

N

N

N

N

NH H

O

H

O

NN

O

OH

OO

OH

O

O

O5'

4'3'2'

1'

Gyakori az U-A párhoz harmadikként uracil kapcsolódása hidrogénkötésekkel és a

C-G párhoz citozin bázis kötıdése (3.10.ábra).

Az RNS molekulában nem találunk olyan mérvő rendezettséget, mint a DNS-ben

láttunk. Egy szálon belül vagy két szál között a hidrogénkötések csak molekularészeket

kapcsolnak össze.

Az RNS tercier strukturája alatt különálló másodlagos szerkezetelemek

kölcsönhatását értjük.

71

U-A-U

C-G-C

O

OH

OO

OO

O

HO

N N

O

H

O

HH N

N

N

N

NOH

O

N

N

OH

O

O

O

O

OH

OO

N N

N

O

H

H

H

H

H

N

O

N

N

N

N

H

H

H

O

N

N

N

OO

HO

O

O

O

O

OH

3.10. Ábra.

Hármas bázispárok RNS-ban

72

A leggyakoribb harmadlagos szerkezetrészletek:

kidudorodó

Hajtő hurok

Hajtő nyél

Kettıs szál

Egyszálú rész

belsı hurok elágazó

3.6. Genetikai információ

A fajra és egyedre jellemzı genetikai kód a DNS-ben tárolódik. A DNS egy darabja

(gén) valamilyen szerepő polipeptid szintézisét irányítja RNS molekulák közremőködésével.

A DNS-ben három nukleotid (kodon) kódol egy aminosavat, vagy stop és start jelet.

A négy nukleotidnak megfelelıen 43, azaz 64 triplett lehetséges. Közülük 61 kódol

aminosavat és három megálljt jelzı triplett (stopjelek). Mivel az aminosavakkal közvetlen

kapcsolatba az RNS hozható, a kódokat a DNS komplementerjére, az RNS-re szokás

megadni (3.1. táblázat). Látható, hogy egy-egy aminosavat több triplett is meghatároz.

73

Általában az elsı két nukleotid jellemzı az adott aminosavra, a haramadik változhat.

Például, a fenilalanin szintézisét kódoló két triplett az UUU és UUC. Az aminosav

szintézisét leállító három triplett (stopjelek) UAA, UAG és UGA. A szintézis indító kódja

AUG, ami egyúttal a metionin szintézisét is kódolja.

A genetikai kód univerzálisnak mondható. Eltérést csak a mitokondriális géneknél és

kloroplasztoknál találunk. Például az emlısök mitokondriumaiban az egyébként arginint

kódoló AGA és AGG triplettek stopjelek.

3.1. Táblázat. A három betős genetikai kód

5'-bázis Középsı bázis 3' bázis

U C A G

U UUU Phe UCU Ser UAU Tyr UGU Cys U

UUC Phe UCC Ser UAC Tye UGC Cys C

UUA Leu UCA Ser UAA Stop* UGA Stop* A

UUG Leu UCG Ser UAG Stop* UGG Trp G

C CUU Leu CCU Pro CAU His CGU Arg U

CUC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg C

CUA Leu CCA Pro CAA Gin CGA Arg A

CUG Leu CCG Pro CAG Gin CGG Arg G

A AUU lle ACU Thr AAU Asn AGU Ser U

AUC lle ACC Thr AAC Asn AGC Ser C

AUA lle ACA Thr AAA Lzs AGA Arg A

AUG Met# ACG Thr AAG Lys AGG Arg G

G GUU Val GCU Ala GAU Asp GGU Gly U

GUC Val GCC Ala GAC Asp GGC Gly C

GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly A

GUG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly G

* Stopjelek

# Az AUG kodon indítójel és metionint is kódol

74

3.7. DNS replikáció

A DNS két ellentétes irányultságú polinukleotid láncból felépülı kettıs hélixe,

amelyeket komplementer bázispárok (A-T és G-C) közötti hidrogénhidak kötnek össze,

DNS-polimeráz enzimek és kofaktorok jelenlétében képes szétválni és megkettızıdni.

Korábban a szétváló két DNS fonalon szimultán DNS szintézist, azaz két új kettıs

hélix kialakulását tételezték fel (3.11. ábra).

Eredetiszál

Újszál

Eredetiszál

Újszál

3.11. Ábra.

DNS kettıs hélix replikációja

Késıbb kiderült, hogy az új polinukleotid lánc szintézise csak 5' → 3' irányban folyhat. Ebbıl

következıen csak az egyik szálon folyamatos a szintézis. A másik szálon a szintézis a szétválástól kifelé

szakaszosan halad és az így képzıdött kettıs hélix darabokat a DNS-ligáz enzim kapcsolja össze. Az eukariota

DNS replikációja még bonyolultabb, a kettıs hélix több szakaszán is egyszerre kezdıdik (úgynevezett

replikációs buborékok keletkeznek).

75

(A DNS-ben tárolt információ nem folyamatos. Az értelmes szakaszokat olyanok választják el,

amelyek nem íródnak át. A nem értelmezhetı DNS szakaszok szerepét még nem ismerjük, vagy nem is

értelmezhetıek.)

C

P

T

P

C

P

T

P

A

P

G

P

G

A

G

A

OH

T

OH

P P P

5'

3'

3'

5'

templát lánc új (növekvı lánc)

O A

OH

CH2

O P O

O

O

O G

O

CH2

O P O

O

O

O T

OH

CH2

O P O

O

O

O

O

O

O

O

O

nıvekvı DNS lánc

belépı dTTP

DNS-DNS komplex

késlekedı szál

vezetı szál

szülıi DNS

5'

3'

3'

5'

3'5'

3.12. Ábra.

DNS replikáció egyszerősített ábrája.

76

Az új DNS szál kezdı szakaszának szintézisét RNS-polimeráz enzimrendszer indítja, és a képzıdött

úgynevezett indító RNS-fonal folytatódik tovább dezoxiribonukleotidok hozzákapcsolásával. A lánc eleji RNS-

t késıbb egy nukleáz enzim kivágja.

A két szál szintézisét nem ugyanaz az enzim vezérli. A vezetı szál replikációját a

δ-DNS-polimeráz végzi. Az úgynevezett késlekedı szál szintézisét az α-DNS-polimeráz

irányítja (3.12. ábra). Az új nukleotid egység kapcsolása nukleozid-5'-trifoszfáton keresztül

történik a lánc szabad 3'-poziciójához kötött hidroxilcsoporton.

3.8. Transzkripció és transzláció

A sejtek anyagcseréjét irányító fehérjék szintézise a citoplazma riboszómáin történik.

Az ehhez szükséges információt az eukarióta sejtekben a sejtmag kromoszómáiban található

DNS adja. Az információt szállító szerepet a hírvivı ribonukleinsav (messenger RNS,

mRNS) tölti be.

A mRNS néhány ezer bázist tartalmaz és minden proteinre más és más szerkezető.

Rövid élettartalmú, felezési ideje néhány perc.

átirási buborék

RNS polimeráz

polimeráz iránya

m RNS

DNS szétválik

3'

5'

5'

3'

5'

RNS-DNS hélix(kb. 12 bázispár hosszú)

3.13. Ábra.

Genetikus információ átírása

Az információ átírását (transzkripció) az RNS-polimeráz enzimek végzik (3.13.

ábra). Ezek felismerik a DNS átírható szakaszait (exonok) és indítják a komplementer

bázisokat tartalmazó RNS bioszintézisét. Az RNS szintézise is csak 5' → 3' irányban

77

történhet és a mintaszállal antiparallel kell lennie, azaz az információ leolvasása 3' → 5'

irányban folyik.

Riboszómális ribonukleinsav (rRNS) a riboszómákban található. A riboszóma

szárazanyagra számítva mintegy 60% RNS-t és 40% fehérjét tartalmaz. Viszonylag stabilis,

mintegy 1500-3000 nukleotid egységet tartalmaz. A riboszomális RNS a sejtek RNS

tartalmának mintegy 90%-át adja. A mRNS a riboszóma speciális receptoraihoz kötıdve

elindítja a proteinszintézist, ami nagyrészt az rRNS-en történik. Transzláció alatt a mRNS

molekulában hozott genetikus információ alapján történı aminosavak sorba rendezıdését

értjük a fehérjeszintézis során.

A transzfer ribonukleinsavak (tRNS) az aminosavakat szállítják a proteinszintézishez

a riboszómákban. Az RNS-ek közül a legkisebb molekulatömegőek, általában 73-94

nukleotid egységet tartalmaznak. Minden aminosavnak legalább egy tRNS-e van.

3.14 Ábra.

tRNS szerkezete.

pG

A

G

A

A

A

C

G

G

U

U

U

U

C

G

A

U

C

A

C

A

U

A

C

C

C

U U C

A

G

C

Y

A

G

A

ΨΨΨΨ

C

m22G GGG

G

D

Gm22C

C

U U

A

G

G

m5C

G U

G

C

A G

A

A

D

G A

A

m7G

G

U C

T

G

mA

C C

ΨΨΨΨ

C

D-hurok TΨC-hurok

Antikodon-hurok

Aminosav kötıhely

78

O β

OHO

C O

C

NH3

O

O

O

OtRNS

H

R

3.15. Ábra.

tRNS-hez kötött aminosav

N

N

N

N

ribóz

O

H

NCH3

CH3N2,N2-dimetilguanozin (m22G)

N

N

N

N

N

ribóz

H CH2 CH CCH3

CH3

N

N

N

N

ribóz

O

HN

N

N

N

CH3

O

ribóz

N

N

N

N

ribóz

O

CH3Adenozin

Guanozin

N6-izopenteniladenozin (i6A) 1-metiladenozin (m1 A)

inozin (I) 1-metilguanozin (m1G)

3.16. Ábra.

Bázismódosulások a tRNS-ben.

79

5-metilcitidin (m5C)

Uridin

Citidin

N

NO

O

ribóz

CH3H

N N

O

O

ribóz

HH

N

NO

NH2

ribóz

CH3

N

NO

O

ribóz

H

N

NS

NH2

ribóz

N

NO

S

ribóz

H

ribotimidin dihidrouridin (D)

4-tiouridin (S4U)

2-tiocitidin (S2C)

pszeudouridin (Ψ)

3.16. Ábra.

(folytatás)

A tRNS egyszálú, de egyes szakaszai a molekulán belüli hidrogénkötésekkel hélixé

rendezıdnek (3.14. ábra). A lóhere alakú molekulában a szállítandó aminosav a 3'-láncvég

egyik szabad hidroxilcsoportjához kapcsolódik észterként (3.15 ábra).

A tRNS-ben az információ átírás után érdekes bázis módosulások jöhetnek létre.

Közülük a leggyakrabbakat a 3.16. ábra tartalmazza.

3.9. Mitokondriális DNS

Mitrokondriumok a soksejtő élılények minden sejtjének citoplazmájában elıforduló

kettıs membránnal határolt szervecskék, amelyek fontos szerepet töltenek be a sejtlégzésben

és energiatermelésben. A mitokondriumok is tartalmaznak DNS-t és annak szerepe ugyanaz

mint a sejtmagban található DNS-é: információ tároló és átörökítı anyag.

80

A mitokondriális DNS mind méretében mind szerkezetében jellegzetesen eltér a

sejtmag DNS-étıl. Például, az ember sejtjeinek magjában tárolt DNS kettıs hélix több

milliárd bázispárt tartalmazó lineáris óriásmolekula, ami néhány százezer gént tartalmaz.

Ezzel szemben az ember mitokondriális DNS-e (mtDNS) 16569 nukleotidpárt tartalmazó

cirkuláris molekula (supercoiled), ami 37 gént tartalmaz, és közülük csak 13 kódol fehérjét.

A többi gén 22 tRNS-t és két rRNS-t kódol, amelyek a mitokondrium saját

fehérjeszintéziséhez szükségesek.

A mitokondriumok információ átadásában (öröklés) jellegzetes eltérések találhatók a

sejtmagi örökléstıl. A kromoszómális DNS (genom) az ivarsejtekben egy, a szomatikus

sejtekben két példányban található. Ettıl eltérıen egy sejtben több száz mitokondrium lehet,

és mindegyik 5-10 DNS molekulát tartalmaz, ami sejtenként mintegy ezer DNS molekulát

jelent. A petesejtben több százezer mtDNS található, a spermiumban viszont csak néhány

száz. Ez utóbbiak a megtermékenyítés után elpusztulnak. Így az utódban a mitokondriális

gének csak az anyától származnak (bizonyos tulajdonságok csak anyai ágon öröklıdnek).

3.10. Mutációk

A faji és egyedi jellegzetességek átöröklıdése a genetikai anyag állandóságán és

pontos másolásán alapul. A DNS-lánc azonban nem teljesen stabilis és megkettızıdése

során is elıfordulnak hibák. Ezeket a hibákat a sejtek javító (repair) mechanizmusai

folyamatosan javítják. Ha a hiba csak az egyik láncon fordul elı, az a megkettızıdésig még

javítható, mert a komplementer lánc még tartalmazza a helyes információt. Amennyiben a

hibajavítás a megkettızıdésig nem következik be, úgy a hiba rögzítıdik és mutáció jön

létre.

A DNS-lánc sérülése hıhatásra, ionizáló sugárzásra, UV-fényre és kemikáliák

hatására is bekövetkezhet. Hıhatásra a purinbázisok (A, G) glikozidos kötése (C1'-N)

hasadhat és úgynevezett depurináció játszódik le. A hiba gyakorisága sejtenként naponta

több ezerre tehetı. Ritkább a bázisok dezaminálódása (oxidatív dezaminálódás), ami

hıhatáson kívül ionizáló sugárzás vagy alkilezıszerek hatására bekövetkezhet. A

dezaminálódás során az adeninbıl hipoxantin, a guaninból xantin és a citozinbıl uracil jön

létre. A tárgyalt hibákat nagyrészt a korrigáló rendszerek specifikus glikozidázai javítják,

amelyek az idegen bázisokat felismerik, és glikozidos kötésük hasításával eltávolítják.

81

Gyakran megtörténik egy DNS-láncon egymás mellett elıforduló timin bázisok

[2πs+ 2 πs] cikloaddíciója ultraibolya fény hatására.

N

N N

N

CH3CH3

H H

O

O

H

O

H

dR dR

O

hν

hν

NO

CH3

H

dR H

O

O

HdR

H

CH3

ON

A C T T G C

T G A A C G

A C T T G C

T G C GA A

A dimerizáció kisebb gyakorisággal a láncon szomszédos helyzetben elıforduló

citozin bázisok és timin-citozin bázispárok között is lejátszódhat. A hiba javításakor egy

specifikus endonunkleáz felismeri a dimereket és az elsı sérült nukleotid 5'-foszfátját és a

másik sérült nukleotid 3'-foszfátját hasítva eltávolítja a láncból, majd a hiányt a β-DNS-

polimeráz a komplementer láncnak megfelelı bázisokkal pótolja. A prokarióta sejtekben egy

úgynevezett fotoaktivált enzim segítségével elkerülhetı a sérült bázisok kivágása. Az enzim

fény hatására (λ < 400 nm) aktiválódik és hasítja a két bázis közötti kovalens kötéseket.

Számos vegyület okoz károsodást a genetikai anyagban. A kémiai mutagének közül a

salétromossav dezamináló hatású. Az alkilezıszerek (dimetil-szulfát, diazometán,

mustárgáz, nitrogénmustár) a DNS egy vagy több bázisát alkilezik. Például, a guaninból

metilezı szerekkel N7-metilguanidin és/vagy O-6-metilguanidin képzıdik.

Metilezıszerekkel szemben a DNS bázisai közül legaktívabb (nukleofilabb) a guanin N7-

poziciója, ezt követi az adenin N3-as helyzete, majd az N3-pozició következik a citozinban.

Az N-alkilezés fokozza a guanin savasságát, és a keto-enol tautomériát az enol-alak

irányába tolja el. A DNS-ben a guanin keto-alakja képez hidrogénkötéseket a komplementer

82

szál citozinjával. Az N7-alkilezett fıleg enol-alakban jelenlévı molekula viszont a másik

lánc timinjével alakít ki hidrogénkötéseket, ami a replikációnál hibás információt jelent.

N

N

N

N

dRH2N

O

Hmetilezıszer N

N

N

N

dRH2N

OH CH3

N7-metil-guanilsav

+ N

N

N

N

dRH2N

O CH3

O-6-metil-guanilsav

A metilezett guaninhoz hasonló úgynevezett bázisanalógok, amelyek a természetes

bázisokhoz hasonlóak, a DNS szintézis során beépülhetnek a láncba. Például, ilyen a

timinnel analóg 5-bróm és 5-fluoruracil, vagy az adeniné a 2-aminopurin.

N

N

O

XH

O

H

N

N

N

NH2NH

X = Br 5-brómuracil 2-aminopurin

X = F 5-fluoruracil

Rendkívül erıs mutagénitást (és karcinogén hatást) fejt ki a benzo[a]piréndiol-

epoxid, ami a guanin bázis aminocsoportjával reagálva megbontja a komplementer szálak

bázispárjai közötti hidrogén-kötéseket.

enzim

O2

benzo[a]pirén

O

HO

OHHO

OH

HO

NH

N

NN

N

O

dR

H

benzo[a]piréndiol-epoxid

83

3.11. RNS örökítıanyagú vírusok

A vírusok önálló életre alkalmatlan, csak fehérje burokba csomagolt genetikai

információt hordozó részecskék. Energiatermelı és fehérje szintetizáló rendszerük nincs, így

csak élılények sejtjeiben képesek genetikai anyagjaik megsokszorozására, azaz

szaporodásra. A gazdasejt reprodukciós rendszerét és enzimjeit felhasználva replikálódnak

és genetikai anyagjukat fehérjeburokba csomagolva juttatják ki a sejtbıl.

A vírusok genetikai anyaga (genomja) eltér a magasabbrendő szervezetekétıl.

Jelentıs részüknél ugyan DNS-t találunk, azonban az lehet egyszálú vagy kettısszálú,

lineáris vagy cirkuláris szerkezető, és csak néhány száz gént tartalmaznak. Például, a

polyomavírus kétszálú DNS-t tartalmaz és mindössze hat génnel rendelkezik.

A vírusok kisebb részének genetikai anyaga RNS. Leggyakoribbak az egyszálú RNS-

genomú vírusok. Közéjük tartozik az influenzavírus, a járványos gyermekbénulás vírusa

(poliovírus) és a száj- és körömfájás vírusa. Ezek replikációjához az RNS-függı RNS

polimeráz enzim szükséges, amit a vírus genomja kódol. A replikációkor az egyszálú RNS

szálról kettısszálú RNS képzıdik, majd az új szálról az eredeti szálak másolódnak és

kerülnek fehérjeburokba. Az eredeti RNS szál egyúttal a m-RNS szerepét is betölti, ami a

replikáz enzim szintézisét és a szükséges fehérjék felépítését is végzi. Mivel az RNS-

polimeráznak nincs hibajavító enzimje, a tisztán RNS-genomú vírusoknál gyakoriak a

mutációk.

A retrovírusok (RNS-tumorvírusok) olyan egyszálú RNS-vírusok, amelyek az RNS

átírását DNS-re irányító RNS-függı DNS-polimeráz enzimet (reverz transzkriptáz) is

kódolják, és azt a fehérjeburkon belül tartalmazzák. Közéjük tartozik a human

immundeficiencia vírus (AIDS vírus) is.

A retrovírusok szaporodásánál a vírus a felületén található glikoprotein tüskéivel a

sejt receptorához kötıdik, majd a vírus és a sejt membránja egyesül. A sejt belsejébe került

vírus RNS-rıl a reverz transzkriptáz DNS másolatot készít. A keletkezett DNS-RNS hibrid

RNS része lebontódik, és a DNS megkettızıdik. A kétszálú DNS bejut a sejt genetikai

anyagába és a sejt forrásait használva a vírus RNS-ét termeli.