12/4/2014

1

Genetika 7-8 ea.

DNS szerkezete, replikáció és a

rekombináció

1859 1865 1869

1879

1903

1911 1928 1944 1950

1951

1953!!!

1952

Hershey &

Chase

12/4/2014

2

1. DNS szerkezete

Mi az örökítő anyag?

• Friedrich Miescher 1868-ban sejtmagból izolált egy foszfor tartalmú vegyületet → „nuklein”(savas és bázikus részből állt).

• 1940-ben ismert volt, hogy a kromoszómát DNS és fehérje alkotja.

• A fehérjét gyanították, hogy az öröklődés makromolekulái.

• A DNS monoton szerkezetű

12/4/2014

3

• A S. pneumoniae két törzse közül csak az egyik okoz betegséget

egerekben, mert az R törzs baktériumait az immun-rendszer könnyen el

tudja pusztítani.

• Az S törzs viszont hatásos védő kapszulát választ ki maga köré.

Mi az örökítő anyag?

Mi az örökítő anyag?

• Griffith baktérium kísérletei, 1928

12/4/2014

4

A DNS az örökítő anyag:

Avery pneumokokkusz kísérletei - 1944

• A DNS-t viszonylag régóta

ismerték, de nem tulajdonítottak

neki komoly jelentőséget.

• A II. világháború alatt, az idős

Avery laboratóriumában került

sor a DNS genetikai

fontosságának felfedezésére.

• Az S törzs elölt baktériumaiból kiszabadult anyagot felvették az R törzs sejtjei és

ezáltal megváltozott a természetük: maguk is kapszula termelésre váltak képessé,

transzformálódtak

• a transzformáló anyagot nem lehetett elbontani proteázok-kal, szénhidrát és

zsírbontó enzimekkel

• de hatástalanná vált nukleázok alkalmazása esetén

• a tisztított DNS képes a baktériumokat transzformálni

A DNS az örökítő anyag

12/4/2014

5

A DNS, és nem a fehérje örökít

• Bakteriofágok használata (baktériumok vírusai)

• Hersey-Chase kísérlet

A DNS, és nem a fehérje örökít

• Egy másik szellemes kísérlet is a DNS jelentőségét bizonyította

• a sugárzó izotópokkal (35S és 32P) jelölt komponensek közül csak a DNS került át az utódokba

12/4/2014

6

A nukleinsavak kémiája

• A nukleinsavak viszonylag

egyszerű felépítésű makro-

molekulák, amelyekben öt- féle

szerves bázis fordul elő

• Ezek közül négy csak a DNS-ben,

négy csak az RNS-ben fordul elő

• A szeves bázisoknak hidrogén-híd

kötések kialakítására képes

csoportjaik vannak

A nukleinsavak kémiája

• A nukleinsavak szerves bázisai egy

cukor-foszfát lánchoz kapcsolódnak

• A cukor molekula ribóz, vagy

dezoxiribóz lehet (RNS és DNS

esetén)

• A dezoxi- cukor kevesebb féle

kémiai reakcióban tud részt venni,

ez nagyobb stabilitást biztosít a

DNS-nek

12/4/2014

7

A nukleinsavak kémiája

• A nukleinsav lánc 3’ OH és 5’

foszfát csoportokkal végződik, ez

szabja meg a DNS irányítottságát

• A DNS cukor foszfát lánca

monoton, a bázisok sorrendje

határozza meg a DNS értelmét

A DNS szerkezetének felfedezése

• A DNS szerkezetének

felfedezéséhez döntően

hozzájárultak R. Franklin röntgen-

diffrakciós

vizsgálatai

• Az ő eredményeinek értékelése

vezetett a kettős, komplementer

DNS szálból álló

modell megalkotásához

12/4/2014

8

A DNS szerkezetének felfedezése

• A kutatási eredmények szintézisét F. Crick és JD. Watson

végezte, akik megértették, hogy a kettős hélix léte egyben magyarázat

az öröklődésre:

• a két lánc szekvenciája kölcsönösen meghatározza egymásét

A DNS szerkezete

A modell kialakításában alapvető

fontossággal bírt, hogy a bázisokat

a megfelelő szerkezettel írjuk le

Korábban is ismert volt, hogy a

C és a G ill. az A és a T aránya

azonos

A kettős hélixben ennek nem

csak szerkezeti, de működésbeli

jelentősége is van

12/4/2014

9

A DNS szerkezete

A DNS két szálát a bázisok

között kialakuló hidrogén-híd

kötések stabilizálják

Az egyes bázisok csak a

megfelelő párjukkal képesek

hidrogén-híd kötéseket kiala-

kítani

12/4/2014

10

A DNS szerkezete

• A bázisok közötti kölcsönhatás erőssége függ a környezet pH-jától, az

ionerősségtől és a hőmérséklettől

• Magas hőmérsékleten (vagy alacsony ionerősség mellett) a DNS-t

összetartó erők nem elégségesek a két lánc összetartására, a DNS láncai

széttekerednek, a DNS denaturálódik

• A denaturáció reverzibilis folyamat (a láncok össze-állását hibridizációnak

nevezzük)

A DNS szerkezete

• A DNS felszínén két „árok” található, a kis- és a nagy árok (major and minor groove)

• Az árkokba benyúlva „kitapinthatóak” a DNS bázisai

• A DNS-kötő fehérjék így ismerik fel a keresett szekvenciát

12/4/2014

11

A DNS szerkezete

• A DNS szerkezete rendkívül flexibilis, a cukor foszfát lánc igen rugalmas, a hajlítást, torziót jól viseli

• Élettani körülmények között a DNS B konformációban van

• Megtalálható Z és A formában is

• A Z-DNS a B-DNS-el ellentétes irányban tekeredik

Fág DNS

• A képen egy fág részecske fejéből kiszabadult DNS látszik

• A T4 fág kiszabadult DNS-e 290 x a fág méretének

• A DNS elképesztő hosszúságú: az emberi DNS (minden sejtben)

kb. 6 méter hosszú, egyénenként összesen mintegy száz milliárd km!

12/4/2014

12

Bakteriális DNS

Cirkuláris DNS

Restrikciós enzimek: genetika eszközei

12/4/2014

13

Restrikciós enzimek: genetika eszközei

2. A DNS replikációja

12/4/2014

14

A DNS replikációja

• Komplementer bázispárosodás: szemikonzervatív

replikáció

Meselson és Stahl kísérlet

A DNS replikációja

12/4/2014

15

DNS polimeráz felfedezése: 1957

Arthur Kronberg, 1959 Nobel Díj.

A DNS replikációja

A DNS replikációja

12/4/2014

16

A DNS replikációja

A DNS replikációja

12/4/2014

17

500 nukleotid/sec a

baktériumoknál

50 nukleotid/sec az

embernél

Genetikai információ pontossága

• Redundancia: 2 szál, információ ellenőrzés és hibajavítás

• Precizitás: replikáló gépezet pontossága, DNS polimeráz I.

hibajavító szerepe

• Enzimek: DNS vegyi módosulását javító számtalan enzim

12/4/2014

18

3. A DNS rekombinációja

Rekombináció

• DNS molekula eltörik és újra egyesül

• Kísérletileg a λ fággal mutatták ki

Meselson és Weigle kísérlete, E.coli-t infektáltak λ fággal

C13, N15 és C12, N14

12/4/2014

19

Heteroduplex régió • Rekombináció: kiazma

• 2 töréspont között: heteroduplex régió

Rekombináció

• Genetikai információcsere a kettős hélix 1 szálát érinti

• Rekombináció eredménye: melyik szálat javítja a hibajavító

enzim

12/4/2014

20

Crossing over molekuláris szinten

• Élesztősejteken történt megfigyelések alapján alkotott

modell

1. A két szál szakadása

2. Két egyszálú szakasz

kialakulása

Crossing over molekuláris szinten

• Élesztősejteken történt megfigyelések alapján alkotott

modell

4. Kettős kapcsolat

kialakulása

3. Az egyes szál

inváziója

12/4/2014

21

Crossing over molekuláris szinten

5. Heteroduplexek szétválása

VÉGE…