NukleinsavakSZERKEZET, SZINTÉZIS, FUNKCIÓ

Nukleinsavak, nukleotidok, nukleozidok1869-ben Miescher a sejtmagból egy savas természetű, lúgban oldódó foszfortartalmú anyagot izolált,amit később, eredetére utalva nukleinsavnak neveztek el. Kiderült, hogy a nukleinsavak és különbözőszármazékaik minden sejtben előfordulnak és nélkülözhetetlen feladatokat látnak el. A nukleinsavak, adezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS) nagy molekulatömegű polimer molekulák, amelyekaz átörökítendő információ tárolására, annak átírására (transzkipció) és átfordítására (transzláció)alkalmasak, és így a sejt összes fehérjéje szintetizálható. A különféle sejtekből nyert nukleinsavak teljeshidrolízisével pentózokat, purin- és pirimidinbázisokat, valamint foszforsavat lehet izolálni. A hidrolíziskörülményeinek (savas, lúgos vagy enzimatikus) változtatásával részleges lebontás is megvalósítható. Azígy nyerhető összetett építőegységek közül a nukleotidokban a cukormolekulához szerves bázis ésfoszforsav kapcsolódik, a nukleozidokban pedig a cukor szerves bázissal képez vegyületet.

Nukleinsavak

Részleges hidrolízis1N NaOH, 25 C

Nukleotidok

Nukleozidok + foszforsav

Részleges hidrolíziscc. NH3, 180 C

HidrolízisH+

Pentózok + purin vagy pirimidinbázis

DNS: dezoxiribonukleinsav - cukor komponense a dezoxiribózRNS: ribonukleinsav – cukor komponense a ribóz

2

A nukleinsavak monomerjei; a nukleotidok

DNS

RNS

Nukleinsav építőelemek: a D-ribóz és a 2-dezoxi-D-ribóz

A D-ribóz és a 2-dezoxi-D-ribóz a nukleozidokbanmindig az 5 tagú gyűrű (furanóz) formájában van jelen.

D-ribóz 2-dezoxi-D-ribóz

A nukleinsavakat felépítő bázisok szerkezeteBázisként pirimidin- és purinvázas vegyületek izolálhatók, mégpedig az előbbiek uracil, timin vagy citozin lehetnek, az utóbbiak adenin vagy guanin. A vegyületek jelölésére gyakran nevük kezdőbetűjét (U, T, C, A, G) használjuk.A bázisok jelenléte nem teljesen tetszőleges. Az uracil csak az RNS-ben, a timin csak a DNS-ben fordul elő, a további három bázis pedig mindkét nukleinsavban megtalálható.

A nukleozidok nevét a bázisok nevéből képezzük úgy, hogy pirimidinbázis esetén idin végződést (pl. timidin), purinbázis esetén pedig ozin végződést (pl. adenozin) illesztünk a bázis nevének első részéhez. A DNS-ből nyert nukleozidok nevéhez dezoxi előtag járul (pl. dezoxiadenozin).

7

RNSDNS

Pirimidinszármazékok, nukleinsav építőelemek

uracilpirimidin-2,4-diol

timin4-amino-pirimidin-2-ol

citozin5-metil-pirimidin-2,4-diol

Az N-glikozid kötés miatt csak a laktim-laktám és a dilaktám forma jöhet szóba

Az uracil keto-enol tautomer egyensúlyi formái

Purinszármazékok, nukleinsav építőelemek

Purin9H-purin

adenin6-amino-purin

guanin2-amino-6-hidroxi-purin

Az guanin keto-enol tautomer egyensúlyi formái

N

NN

NH N

N

Purin származékokcsak DNS-ben

csak RNS-ben

Pirimidin

származékok

Imidazo[4,5-d]pirimidin

Kapcsolódási pont a pentofuranózegység anomer szénatomjához.

A nukleobázisok

kcal/mól

sC-O 91

pC-O 96

sC-N 75

pC-N 74

sH-O 110

sH-N 93

A nukleobázisok stabilis tautomerjei és részvételük H-hidakban

laktám laktim

Nukleozidok előállítása, fizikai és kémiai sajátsága

A nukleinsavak szerkezetfelderítése szempontjából jelentős a nulkleozidok szintetikus útontörténő előállítása is. Ennek egyik lehetséges és gyakori módja, amikor acilezett -D-ribofuranozil-kloridból és a megfelelően védett purin- vagy pirimidinszármazék klórmerkurisójából kiindulva alakítják ki a -glikozidos kötést.

A nukleozidok magas olvadáspontú, vízben jól oldódó színtelen kristályos vegyületek. Aglikozidos kötés lúggal szemben ellenálló, míg híg savval könnyen hidrolizálható, miközbenpentóz és bázis képződik. A dezoxiribonukleozidok esetében kíméletes körülményeket kellalkalmazni, mivel a képződő 2-dezoxi-D-ribóz savérzékeny.

12

triacetil--D-ribofuranozil-klorid6-acetilaminopurin-klórmerkuri-só

A nukleotidok szerkezete, fizikai és kémiai sajátságaik

A nukleotidok a nukleinsavak háromrészes építőegységei. Foszforsavészterek, melyek a nukleinsavakbólenyhe lúgos vagy enzimatikus hidrolízis hatására képződnek. A hidrolízistermékek között aribonukleinsavak esetében 2’-, 3’- és 5’-foszfátok, a dezoxiribonukleinsavak esetében pedig 3’- és 5’-foszfátok fordulnak elő.A nukleotidok nevét a nukleozidok nevéből képezzük úgy, hogy megjelöljük az észteresítetthidroxilcsoport helyét. Szokásos a nukleotidok nevét rövidítve megadni, például uridin-5’-foszfát = 5’UMP.

13

nukleozid-2'-foszfátnukleozid-3'-foszfát nukleozid-2',3'-ciklofoszfát

H / H2O+

H / H2O-

H / H2O-

H / H2O+

OH2C HO N

O

P

O OH

OH

OH

OH2CHO N

O O

P

O OH

OH2CHO N

O

P

OOH

HOHO

Híg sav (0,01 n HCl) hatására a 3’-foszfátok átizomerizálódhatnak 2’-foszfátokká. Azátalakulás ciklusos köztitermék (2’,3’-ciklofoszfát) képződésén keresztül játszódik le.

Ez a folyamat ad magyarázatot arra, hogy miért található ribonukleozid-2’-foszfát is aribonukleinsavak hidrolízistermékei között.

A nukleotidok magas olvadáspontú, vízben oldódó kristályos vegyületek. A dihidrogénfoszfátcsoport jelenléte miatt erős savak. A nukleotidok óvatos savas hidrolízise a glikozidos kötéshasadásával bázist és pentózfoszfátot eredményez, lúgos hidrolízissel pedig a foszforsav sójamellett a megfelelő nukleozidot lehet izolálni.

ribonukleotid-3'-foszfát

OH2CHO N

O

P

O OH

OH

OHH / H2O

OH2C HO OH

O

P

O OH

OH

OH

riboz-3'-foszfát

+ HN

bázis

NaOH / H2O

OH2CHO N

HO OH

ribonukleozid

Na3PO4

A DNS-t alkotó nukleotidok

A RNS-t alkotó nukleotidok

A nukleotidok szintézise – ugyanúgy, mint a nukleozidoké – a nukleinsavakszerkezetfelderítése szempontjából fontos. Gyakori reakcióút, hogy a cukrokhidroxilcsoportját dibenzil-foszfokloridát reagens segítségével alakítjákfoszforsavészterré. Például, a 2’,3’ hidroxilcsoportján védett ribonukleozidból 5’-foszfátnyerhető.

A nukleotidok előállítása

izopropilidénnel védett cukordibenzil-foszfokloridát

A nukleinsavak elsődleges szerkezete

A nukleinsavak nukleotidokból épülnek fel úgy, hogy a polinukleotid láncban a pentózok 5’ és3’ hidroxilcsoportja foszforsavdiészter-kötéssel kapcsolódik össze. A pentózok 2’ szénatomján aDNS-ben hidrogén, az RNS-ben pedig szabad hidroxilcsoport található. Tehát a polimermolekula gerincét, primer szerkezetét mind a DNS-ben, mind az RNS-ben a pentóz-foszfát láncalkotja, melynek változékonyságát a cukorrészhez kapcsolódó bázisok jelentik.

O N

R

OH2CHO N

R

O

P

O

HO

O

H2C

O

N

R

P

O

HO

O

H2C

O

P

O

HO

O

5'-láncvég

3'-láncvég

cukor-foszfát lánc

nukleotidegységek

OH2C

O

R

N

HO

3,

3,

3,

3,

5,

5,

5,

5,

R = OH, H

Foszforsavdiészter típusú kötések, nem-elágazó, lineáris polimer, amit 5’ 3’ irányba írunk: .. 5’-C-G-T-A- 3’-..

A nukleinsavakat alkotó nukleotidegységek kapcsolódási módjának felismerését többek közöttaz tette lehetővé, hogy találtak olyan specifikus enzimeket, melyek a polinukleotid láncészterkötését csak az 5’-helyzetű vagy csak a 3’-helyzetű hidroxilcsoportnál hasítja el.

A bázissorrend meghatározása

A nukleotidok kapcsolódási sorrendjét (szekvenciáját) ugyancsak enzimek segítségével derítették fel. Azún. restrikciós enzimek meghatározott szekvenciájú kisebb nukleotid láncokat hasítanak ki a polimerből.A szétszabdalt láncok újra egyesíthetők a DNS ligáz enzim segítségével, a DNS polimeráz enzim pedig aDNS szintézist katalizálja. A nukleinsavak bázissorrendjének meghatározására a Maxam és Gilbert(1977)-féle kémiai degradáló és a Sänger és Coulson-féle láncterminációs módszer ismert (1975),amelyek közül jelenleg a láncterminációs módszert használják.A DNS bázissorrendjének meghatározása Sanger nevéhez fűződik: szekvenálási eljárás alapelve nem alebontás, hanem az enzimkatalizált DNS-szintézis irányított megszakítása. A szintézis megszakítására2’,3’-didezoxi-ribózt alkalmazott, ami a 3’ láncvégen nem tud észteresedni, ezért az eljárás didezoximódszer néven vált ismertté.

Frederick Sanger (1918 - 2013)Nobel díj – 1958: inzulin aminosav sorrendjének meghatározásaNobel díj – 1980: DNS szekvencia meghatározásáért

A láncterminációs módszer során a vizsgálandó DNS-t először egyszálúvá teszik. A folyamat kulcsenzime, aDNS-polimeráz I alkalmas arra, hogy az egyszálú DNS kiegészítő szálát elkészítse, de ehhez szükség van egyrövid kétszálas szakaszra is, amely az indító szerepét játssza. Az egyszálú DNS-hez tehát egy rövidoligonukleotid primert hibridizálnak, amelytől kezdődően elindulhat a második szál szintézise. Aszekvenáláshoz négy reakció készül, ezek mindegyike tartalmazza a mintául szolgáló egyszálú DNS-t és ahozzá hibridizált primert, valamint tartalmazzák a négyféle nukleozid-trifoszfátot (dATP, dCTP, dGTP ésdTTP) is. A nukleozid-trifoszfátok közül az egyiket radioaktívan jelölik, hogy a termék később kimutathatólegyen. Tartalmaznak az elegyek továbbá didezoxi-nukleozidtrifoszfát (ddNTP), de mindegyik elegy csakegyfélét. A DNS-lánc felépülését katalizáló polimeráz enzim jelenlétében megindul a mintának megfelelőkomplementer szál szintézise. Azok a mesterségesen felépülő szálak azonban, amelyekbe nem dezoxi-nukleozid-trifoszfát (dNTP), hanem ddNTP épül be, nem tudnak tovább gyarapodni, mert a „rossz”nukleozid-trifoszfát ribóz részének 3’-helyzetű szénatomján nincs hidroxilcsoport, így ehhez nem tudkapcsolódni a következő nukleotid. Ha a ddNTP és a dNTP aránya megfelelő, akkor a ddNTP beépülésekorlétrejövő lánctermináció statisztikusan úgy oszlik el, hogy az összes lehetséges vég képviselve lesz. Anégyféle reakciót párhuzamosan végzik, és az elegyeket poliakril-amid gélre viszik, ahol elektroforézistvégeznek. A gél felbontóképessége maximális, azaz már egy nukleotid különbséget is ki tud mutatni. Anégy elegynek megfelelően négy oszlop fut párhuzamosan, s a kapott csíkok magasságábólmegállapítható, hogy melyik szakasz zárult adeninnel, melyik guaninnal, melyik timinnel és melyikcitozinnal; ebből pedig összeállítható a vizsgált DNS bázissorendje. A szekvencia-adatokat nemzetköziszámítóközpontokban, ún. génbankokban helyezik el. A saját szekvencia gyors komputeres programoksegítségével összehasonlítható a génbankban levő ismert szekvenciákkal (Sain és Erdei, 1985).

Növényvírusok és virológiai vizsgálati módszerekdr. Horváth József - dr. Gáborjányi RichardMezőgazda Kiadó

Láncterminációs módszer

Láncterminációs módszer

A különböző eredetű DNS-molekulák hidrolizátumában apurinbázisok (adenin és guanin) moláris mennyisége mindigazonos a pirimidinbázisokéval (timin és citozin), sőt továbbiszabályosság, hogy az adenin mennyisége a timinével,valamint a guanin mennyisége a citozinéval azonos(Chargaff-szabályok 1950). Ezek okára csak a szerkezetmegfejtése adott magyarázatot (1953. James D. Watson ésFrancis Crick).

Az RNS-ek esetében nincs ilyen szabályserűség.Erwin Chargaff

(1905 – 2002)

Chargaff szabályok

Chargaff szabályok1. T+C (pirimidinek) = A+G (purinok)2. A = T és G = C3. A+T nem = G+CEgyes fajok AT/GC aránya nagyon eltérő lehet. Fajon belül a különböző szervekben mindig azonos.

Bázispárok között kialakuló hidrogénkötések

DNS röntgen krisztallogramja. A keresztet formáló foltok ahelikális struktúrára jellemző kép, míg a kép jobb ésbaloldalán látható sávok a bázisoktól származnak. Az 51-esfotó adatai alapján Watson és Crick nem csak azt tudtákmegállapítani, hogy a távolság a két szál között állandó,hanem a pontos 2 nanométeres értékét is meg tudtákmérni. Ugyanaz a fotó adta meg nekik az hélix 3,4nanométer/10 bázispár „sűrűségét”.

A DNS térszerkezete

Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálatok: Rosalind Franklin, Maurice Wilkins az1950 körül kezdték a kikristályosított DNS röntgendiffrakciósszerkezetelemzését. Az eredmények (röntgendiffrakciós felvételek)kiértékelhetősége erősen függött a kristályosítás sikerétől. Franklin egyre jobbfelvételeket készített, melyek igazolták a molekula helikális szerkezetét.

1920-1958

1916-2004

A DNS másodlagos szerkezete - 1953

Francis H.C. Crick (1916 – 2004)Nobel díj: Nukleinsavak szerkezetének

meghatározásáért - 1962

James D. Watson (1928 -)Nobel díj: Nukleinsavak szerkezetének

meghatározásáért - 1962

2 nm

3,4

nm

28

A Watson - Crick modell: a DNS szerkezetének megfejtéséhez James D. Watson és FrancisCrick 1950-ben fogott neki, mert meg voltak róla győződve, hogy a DNS az örökítő anyag és aszerkezet megfejtése alapvetően rávilágít az öröklődés molekuláris mechanizmusára. RiválisukLinus Pauling volt, aki elsősorban a fehérjék szerkezetét kutatta, és akkoriban állította fel,majd később részletesen igazolta is munkatársaival, hogy a fehérjék felépítésében lényegesszerepe van az alfa-helix szerkezetnek. A két rivális csoport több modellt állított fel, melyekrövid időn belül tévesnek bizonyultak. Végül a versenyt Watson és Crick (illetve Franklin ésWilkins) nyerték meg 1953-ban, amikor közölték híres, egy oldalas cikküket a NATUREfolyóiratban. 1962-ben Nobel díjjal jutalmazták ezt az "egy oldalnyi" elméleti megfontolást.

A DNS jobbmenetes kettős hélix téralkatú, körülbelül 10 nukleotidpárral hélix menetenként. a hidrofil és negatív töltésű

„foszfodezoxiribóz” gerinc„kifelé” mutat

a bázisok befelé állnak,intermolekuláris H-hidakkalstabilizáltak, vagyis a spirálokat H-hidak tartják össze, az egyik a kódoló a másik a templát szál. Az adenint és a timint 2, míg a guanint és a citozint 3-H híd köti össze. Ezt a téralkatot először James Watson és Francis Crick becsülték (határozták) meg helyesen 1953-ban Rosalind Franklin diffrakciós méréseinek köszönhetően.

a cukor-foszforsav diésztergerinc teljesen konzervatív, míg a heterociklusokpermutálódnak,

bázispárok miatt a DNS két szála komplementer jellegű

a heterociklusok pontosszekvenciája hordozza azinformációt.

timin

Szerkezeti jellemzők és következményeik:•kettős hélix, melyben a két szálon lévő bázisok egymással H-hidak segítségével kapcsolódnak : A:T - 2db, G:C - 3 db H-híd•egymással szemben komplementer bázispárok, A:T és G:C helyezkednek el, így a párosok térkitöltése megegyezik.•replikáció (másolás) lehetősége,•genetikai kód - egy szálon belül nem kötött a sorrend = nem monoton!•egy "csavarmenet" 34 A, 10 bázispár / 1 csavar, 36o / bp•lefutás antiparallel, 5' - 3' irány•háromdimenziós szerkezet - nagy és kis árok, (major groove, minor groove)

A DNS kettős spirál stabil szerkezet, amelynek kialakulását az alábbi tényezők befolyásolják:

A bázisok közötti hidrogén hidak. A hidrogén híd kötés összetartó ereje ugyan a kovalens kötéseknek csak néhány százaléka, azonban sok van belőle, és a kötést létesítő bázisok rögzítettek, ami fokozza a kapcsolat stabilitását.

Az egymás felett elhelyezkedő, lapos, hidrofób bázisok között hidrofób kölcsönhatás, a „stacking” is fontos tényező. Ez úgy működik, mint amit akkor tapasztalunk, amikor két egymásra fektetett üveglapot próbálunk víz alatt szétválasztani. Ezeket könnyebb egymáson elcsúsztatni, mint szétválasztani.

További kölcsönhatás a cukorfoszfát gerinc foszfát csoportjainak egymásra gyakorolt elektrosztatikustaszító hatása.

Ezekből következik:

A kettős spirál alakja vagy stabilitása független a nukleotidok sorrendjétől. Kitűnően alkalmas ezért információ tárolásra.

A szerkezet alapján könnyen elképzelhető annak megkettőződése, olyan módon, hogy széttekeredik, és az új szálak a régiek nukleotid sorrendjével komplementer módon jönnek létre.

A DNS-t alkotó két polinukleotid lánc kettős helixet alkotva egymás mellé csavarodik. A hélix külső palástját a pentóz-foszfát polimer lánc alkotja, a paláston belül pedig a bázisok páronként hidrogénkötésekkel kapcsolódnak össze. Eszabályos szerkezet kialakulásához az szükséges, hogy a két összecsavarodó lánc szerkezete pontosan megfeleljenegymásnak. A két szál bázissorrendje egymást kiegészítő, azaz komplementer szerkezetű, tehát az egyik szál bázissorrendjeszigorúan megszabja a másik szál szekvenciáját

A hélix szerkezet rögzítéséhez a bázispárok hidrogénkötésein kívül, a síkban egymás felett elhelyezkedő bázisokheteroaromás gyűrűi közötti erős van der Waals-kölcsönhatások is hozzájárulnak. A DNS külső palástján a poláris pentóz-foszfát láncok vízoldhatóvá teszik a makromolekulát, ugyanakkor megvédik a belső apoláris bázisokat a külső behatástól.

33

B-forma (balra) A B forma jobban hidratált, kevéssé kompakt, mint az A forma. A B forma állhat legközelebb az élő sejtben található szerkezethez. A-forma (középen)Z-forma (jobbra)A Z forma ellentétes lefutású, torzult szerkezet (zig-zagDNA), mely speciális esetekben jöhet létre.

A DNS szerkezet változatai

A-forma

B-forma

Z-forma

B-forma A-forma Z-forma

A DNS szerkezetek adatai

Schematic illustration of closed circular DNA in open conformation (left) and then in a negative supercoiled conformation(middle) and positive supercoiled conformation (right).

DNS szuperszerkezetek

A DNS-molekula óriási méretű, a legkisebbek 5000 bázispárból (5 kb; kilobázis) állnak és 1700 nmhosszúak. Az emberi DNS – a teljes humán genom – közel 6 millió kb-ból épül fel és teljes hossza eléri a 2m-t. A szabályos kettős helix természetesen meghajlik, összetekeredik és ezt tekintjük a harmadlagosszerkezetnek. A DNS-molekula szervezettségének a legmagasabb szintje a kromoszóma, ami márfehérjéket is tartalmaz a DNS mellett.A teljes DNS lánc egy-egy rövidebb szakaszát tekintjük géneknek, a gének sorrendjét pedig genetikaitérképnek nevezzük.Az 1990-ben elindított átfogó kutatás, a humán genom (HUGO) program elvezetett mind a 23 emberikromoszóma teljes nukleotidsorrendjének feltárásához.

A DNS harmadlagos szerkezete

37

Szemikonzervatív replikáció

Az -helix struktúra a DNS topoizomeráz és helikáz enzimek hatására megszűnik, majd a DNS polimeráza szétcsavarodott szálak mellé kiépíti azok komplementerét. Így az eredetivel teljesen azonos két újszálat kapunk.

A DNS polimeráz mindig csak az 5’ → 3’ irányba képes felépíteni az új szálat. Így míg az egyik szálkiépülése folyamatos az 5’ vége felől („leading-vezető”), addig a másik szál (lagging - követő) felépülésea széttekeredés felől történik, és a keletkező fragmenseket (Okazaki fragmensek) a DNS ligáz enzimkapcsolja össze egységes szállá.

38

A DNS megkettőződése

Mismatch repair – MMR

DNS replikáció során bekövetkezett mutációk (1 hiba / 107 nukleotidra).Össze nem illő párok javítása (mismatch repair – MMR), amely a DNS-replikáció és az aztkövető rekombináció során keletkező hibás nukleotidpárokat javítja ki. Ez a mechanizmus nagyjából ezredrészérecsökkenti a DNS-replikáció folyamán bekövetkezett hibák gyakoriságát.

99%-os precizitás 1 hiba / 109 replikált nukleotidra

A DNS-javító mechanizmus tanulmányozásáért hárman kapták a 2015-ös kémiai Nobel-díjat

A 2015-ös kémiai Nobel-díjat Tomas Lindahl, Paul Modrich és Aziz Sancar kapta azért, mert molekuláris szinten feltérképezték, hogyan javítja a sejt a károsodott DNS-t, és őrzi meg ily módon a pontos genetikai információt. A három tudós munkája alapvető tudást adott arról, hogyan működik az élő sejt, és megnyitotta a gyakorlati alkalmazás lehetőségét is, például új rákkezelési módszerek kifejlesztéséhez.

A DNS biológiai funkciója

A DNS szerepe a biológiai információ hordozásában van. Ez kódolja az élő szervezet felépítéséhez szükséges fehérjék szerkezetét. A DNS a sejtmagban található, a fehérjeszintézis viszont a sejtplazmában játszódik le. A fehérjeszintézis feladatát az RNS-molekulák látják el.Egyetlen sejten belül többféle RNS található, melyek funkcióik szerint különböztethetők meg.

DNS mRNS Fehérjéktranszkripció

(átírás)

transzláció

(dekódolás)

41

A molekuláris biológia centrális dogmája a DNS, az RNS és a fehérjék közötti információáramlással foglalkozik. A sejtek e három építőköve között kilenc lehetséges irányban mozoghat az információ; a centrális dogma szerint ebből négy irány gyakori (DNS → DNS, DNS → RNS, RNS → RNS, RNS → fehérje), két irány csak rendkívüli esetekben fordul elő (RNS → DNS, DNS → fehérje) a maradék három irányban, vagyis fehérjéből fehérjébe és fehérjéből nukleinsavba pedig soha nem íródik át információ. (Más megfogalmazásokban az RNS → RNS információközlést is a ritka esetekbe sorolják.)A tételt Francis Crick angol molekuláris biológus, a DNS struktúrájának egyik felfedezője fogalmazta meg, először valamivel gyengébb formában (a gyakori és a rendkívüli esetet nem megkülönböztetve) 1958-ban, majd a fenti alakban 1970-ben.Az információáramlás útjai:•DNS → DNS: DNS replikáció•DNS → RNS: transzkripció•RNS → fehérje: transzláció•RNS → RNS: RNS replikáció•RNS → DNS: reverz transzkripció

RNS fajták és funkciójuk

kódoló RNS:• mRNS: hírvivő (messenger) RNS: DNS-ből másolt RNS, amely a genetikai információt hordozza,

és ezt a riboszómához szállítja, ahol a rajta lévő információ alapján a fehérjék szintetizálódnak. Három egymás melletti bázis alkot egy-egy kodon-t, amely egy-egy aminosavat kódol

• pre-mRNS: éretlen mRNS. Az érés során a nem kódoló részek (intronok) kivágódnak, csak a kódoló részek (exonok) maradnak az érett mRNS-ben.

nem-kódoló RNS:• tRNS: transzfer RNS: segít az mRNS-en található kód (kodon) leolvasásában.Minden létező kodonhoz külön tRNS tartozik, mely a kodonnak megfelelőaminosavat hordozza, és a riboszómához szállítja, majd ott részt vesz afehérjeszintézisben• rRNS: riboszomális RNS: a riboszóma alkotóeleme, mely a fehérjeszintéziskatalitikus centrumát alkotja

léteznek további nem-kódoló RNS-ek is, mint például:• siRNS: (small interfering RNA): gének kikapcsolásáért felelős rövid RNS részek(a DNS-hez kötődnek, és így meggátolják annak átíródását)

RNS féleségek

Funkció szerinti csoportok

RNS típusok

Kódoló Nem kódoló

rRNS

Fehérje-szintézis

Genetikaiszabályozás RNS érés export

DNS szintézis

Enzim#Transzpozonkontroll

mRNS tRNS

Fehérje szintézis

# Az enzim funkcióval a ribozimek rendelkeznek, ezek az RNS-ek szerepelnek más kategóriákban is.

Az RNS-családok hagyományos felosztása szerint megkülönböztetünk tRNS-eket, amelyek a transzlációban kulcsszerepet töltenek be transzfermolekulaként, mRNS-eket, amelyek a genetikai információt közvetítik a génektől a riboszómáig, és az rRNS-eket, amelyek a riboszómák funkcionális egységei, a kis magi RNS-eket(snRNS, small nuclear RNA), amelyek a splicing folyamatában vesznek részt, valamint a kis magvacskai RNS (snoRNS, small nucleolar RNA), amelyek a fenti RNS-ek utólagos modifikációját (metiláció, pszeudo-uridiláció) végzi. Az utóbbi évek felfedezése alapján az RNS-világ családjait tovább bővíthetjük a szabályozó funkciót betöltő, népes mikro-RNS-ek (miRNS) és a kis interferáló RNS-ek (siRNS) csoportjával.

Az utóbbi évtized felismerése, hogy nem transzlálódó kis RNS-molekulák fontos szabályozó szerepet töltenek be –befolyásolva a transzláció folyamatát és a messenger RNS-turnovert – a sejt fehérjekészletének poszttranszkripciós szintű szabályozásában. Az RNS csendesítés jelenségének kihasználásával lehetővé vált a kutatásban a gének funkciójának tanulmányozása, gyógyszercélpontok validálása, és felmerült a betegségek gyógyításának lehetőségé is, mint például különböző daganatos megbetegedések, autizmus, Alzheimer-kór, Prader-Willi szindróma, stb.

Nem kódoló genom és mikro-RNS-ek: új fejezet a genetika történetében Molnár Viktor, Bakos Beáta, Hegyesi Hargita, Falus András LAM 2008;18(8–9):591–597

A hírvivő (messenger) RNS (mRNS)

A hírvivő RNS vagy mRNS az RNS-molekulák azon csoportjába tartozik, amely a sejtekben a legkisebbarányban fordul elő. Az mRNS-en tárolt információ meghatározza, hogy a különböző aminosavakmilyen sorrendben épüljenek be a készülő polipeptid láncba.

45

A szállító (transzfer) RNS (tRNS)

A tRNS a legkisebb RNS-molekula: általában 75-80 nukleotid egységből épül fel, így tömege is a legkisebb. Szerepe a fehérjék építőegységeinek, az aminosavaknak a riboszómákhoz való szállítása. Mind a 20 fehérjékben előforduló aminosavat legalább egy specifikus tRNS köt meg.

Funkcionális szempontból két legfontosabb molekularészletük azaminosav-kötőhely és a templát-felismerőhely. Az aminosavakkötése a molekula ún. 3’ végén történik (az egyesnukleotidegységek kapcsolódása a ribóz 3’ szénatomjához és 5’szénatomjához kapcsolódó OH- ill. PO4-csoportokon keresztültörténik. 3’ végnek nevezzük a lánc azon végét, ahol a nukleotid3’ szénatomján elhelyezkedő OH-csoporthoz nem kapcsolódikfoszfát). A templát-felismerőhelyet antikodonnak is szoktáknevezni. A mRNS molekula három nukleotidjához (egykodonjához) kapcsolódik. A kodont alkotó nukleotidoksorrendjének megfelelően egy specifikus tRNS kötődik ariboszómához, és szállítja a növekvő polipeptidlánc (fehérje)soron következő aminosavegységét. Az RNS-molekulákössztömegének 15%-át adja.

46

A riboszóma RNS (rRNS)

Az összes RNS tömegének 85%-át e típus adja. A riboszómák felépítésében vesznek részt (a fehérjék mellett).

Az RNS-molekulák szintézisétspecifikus enzimek, az RNS-polimerázok katalizálják. Apolimerázok működéséhez akövetkező összetevőkre vanszükség:• templátmolekula: templátnaknevezzük általános értelemben aképződő makromolekulaszerkezetét meghatározóinformációt hordozó molekulát,jelen esetben a DNS-t.• a nukleotidok aktivált előalakjai(prekurzorai): a négyféle bázisttartalmazó nukleozid-trifoszfátok,• fémionok (E. coliban: Mg2+vagy Mn2+)

47

• Minden hírvivő RNS egyetlen génre vonatkozó információt kódol és szállít, ami egy darab polipeptidlánc felépítéséhez elegendő.

• Minden egyes bázishármas egy meghatározott aminosavat (vagy STOP-jelet) kódol (l. aminosav-kódszótár). A riboszóma ezt az aminosavat fogja a láncba építeni. Az mRNS-en a leolvasás egy START-jellel indul. Ez a bázishármas az AUG, ami a metionint kódolja.

• Van három STOP-jel is, amik leállítják a folyamatot. Ezek nem kódolnak aminosavakat.

• Az információ "pont-, vessző- és átfedésmentes". Ez annyit tesz, hogy a START- és STOP-jel között nem állhat meg a leolvasás, egyetlen bázis sem maradhat ki a leolvasásból, és nem lehet bázist kétszer olvasni.

• A kód (majdnem) univerzális, mert ugyanazok a bázishármasok ugyanazokat az aminosavakat kódolják minden élőlényben.

• A kód degenerált, azaz egy aminosavat több bázishármas is kódolhat. • A kód lötyög. Ez azt jelenti, hogy gyakran elég az első kettő bázist leolvasni, mert

nem számít, hogy mi a harmadik. (Mindenképp ugyanazt az aminosavat kódolja.)

Aminosav kódszótár

49

A-típusú kettős helix

Az RNS térszerkezete: általában egyszálú, de a Watson-Crick-féle párképzés a szálon belül itt is kialakulhat.

RNS típusok jellemzői

Nuleotid koenzimek

A nukleotidok nemcsak a nukleinsavak alkotórészeként fordulnak elő az élő természetben, hanem szabadállapotban vagy egyszerűbb vegyületek formájában is. Fontos származékaik az egyes anyagcsere-folyamatokat katalizáló enzimek koenzimjei.

Az ATP ADP átalakulás során felszabaduló energia fedezi az élő szervezetben lejátszódószintézisfolyamatok energiaigényét, ugyanakkor az anyagcsere során a lebomlási folyamatokban képződőenergia az ADP ATP átalakulás során elraktározódik.

A ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) ugyan nem képes átjutni a sejtmembránon, de másodlagoshírvivő (second messenger) molekulaként fontos szerepet játszik a sejten belüli jelátviteli (szignáltranszdukció) folyamatokban. Olyan hormonok hatásának kiváltásában vesz részt, mint például a glukagonés az adrenalin. Fő hatása a proteinkináz enzimek aktiválása, és szabályozza a Ca+ ionok ioncsatornákonkeresztüli áthaladásának mértékét is.

52

53

FOGALMAK

nukleinsav

nucleic acid

Nukleotidokból, mint monomer egységekből felépülő lineáris biopolimerek, melyek a genetikai információ tárolásáért és kifejezéséért felelősek.

DNS

DNA

Dezoxi-ribonukleinsav: 2-dezoxi-D-ribózt tartalmazó nukleinsav, amely a genetikai információt tárolja.

RNS

RNA

Ribonukleinsav: D-ribózt tartalmazó nukleinsavak, melyek három típusa (hírvivő – messenger, mRNS; szállító – transzfer, rRNS; riboszomális, rRNS) a genetikai információ továbbításában és a fehérjeszintézisben játszik alapvető szerepet.

nukleobázis

nucleobase

Nitrogén-heterociklusos vegyületek, amelyek a nukleotidok felépítésében vesznek részt. Típusaik a pirimidin (citozin, timin – csak DNS-ben, uracil – csak RNS-ben) és a purinvázas (adenin, guanin) származékok.

nukleozid

nucleoside

N-Glikozid típusú vegyületek, melyekben a nukleobázisok egyik nitrogénatomjához (pirimidinekben N1, purinokban N9) 2-dezoxi-β-D-ribofuranosyl- (DNS) vagy β-D-ribofuranosyl csoport (RNS) kapcsolódik. Típusaik: citidin C, timidin T, uridin U, adenosin A, guanozin G.

nukleotid

nucleotide

A nukleozidok cukorrészének 5’-OH csoportján foszfátésztert tartalmazó vegyületek. A monofoszfátok a nukleinsavak monomerjei. Di- és trifoszfát származékaik fontos metabolitok.

Watson-Crick-modell

Watson-Crick model

A DNS első publikált szerkezeti modellje (a ma ismert formák, az A, B és Z változatok közül a B), amely meghatározott geometriaiparaméterekkel leírható, jobbmenetű, ellentétes irányba haladó, egymás körül felcsavarodó két helikális cukor-foszfát lánc között hidrogénkötésekkel kapcsolódó bázispárokkal jellemezhető.

bázispár

base pair

A DNS szerkezetek jellegzetessége, amely szerint a nukleotidok meghatározott párokba rendeződnek a nukleobázisok mérete/váza és a hidrogénkötések száma szerint (adenin-timin, A-T és guanin-citozin G-C). A DNS-RNS átíráskor is ezek a szerkezeti jellemzőkhatározzák meg a létrejövő RNS-t (G-C helyett G-U párral).

foszfodiészter kötés

phosphodiester bond

Nukleinsavak cukor-foszfát láncában található kötések, melyek az egyes nukleotid monomerek 3’- és 5’-OH csoportjait kapcsolják össze.

purin bázisok

purine bases

A nukleobázisok kondenzált gyűrűs vázat (imidazo[4,5-d]pirimidint) tartalmazó típusai (adenin, guanin).

pirimidin bázisok

pyrimidine bases

A nukleobázisok pirimidin (1,3-diazin) vázat tartalmazó típusai (citozin, timin, uracil).

hírvivő RNS

messenger RNA (mRNA)

A DNS-RNS átírás (transzkripció) során keletkező RNS molekula, melynek szerepe a fehérjeszintézisre vonatkozó információk továbbítása a riboszómákhoz.

riboszomális RNS

ribosomal RNA (rRNA)

A fehérjeszintézist végző sejtszervecske, a riboszóma legfontosabb alkotórésze.

szállító RNS

transfer RNA (tRNA)

A riboszómán történő fehérjeszintézis során az egyes aminosavakat a polipeptidlánc továbbépítési pontjához szállító molekulák.

retroszintézis

retrosynthesis

Szerves szintézisek tervezésére szolgáló módszer (retroszintetikus analízis), melynek során a célvegyületet kisebb részekre bontjuk az ún. szétkapcsolások (disconnection) révén mindaddig, amíg egyszerűen hozzáférhető építőkövekhez, kiindulási anyagokhoz jutunk.

szétkapcsolás

disconnection

A retroszintetikus analízis során alkalmazott művelet, melynek során a célmolekula kötéseit (pl. a polarizációjának megfelelően) elhasítva szintonokhoz jutunk. Utóbbiak szintézis-ekvivalensei azok a vegyületek, amelyekben a szintonra jellemző polaritású atomok találhatók, és amelyek felhasználásával a szintézis megvalósítható.

barbitursav (barbiturátok)

barbituric acid (barbiturates)

2,3,6-Trihidroxi-pirimidin, melynek 5-helyzetben szubsztituált származékai (a barbiturátok) között számos nyugtató, altató, görcsoldó hatású gyógyszer található. Függőség kialakulása miatt ma inkább csak intravénás narkotikumként és antiepileptikumként használatosak.

molekuláris biológia központi dogmája

central dogma of molecularbiology

Francis Crick által lefektetett elv, amely a szekvenciális információ továbbításának sejten belüli irányát adja meg: DNS → RNS → fehérje. Ezzel ellentétes (valamint fehérje → fehérje) irányú információátadás nem történik.

fehérjeszintézis

protein synthesis

Az a folyamat, amellyel a sejtek felépítik a működésükhöz szükséges fehérjéket. Főbb részei a transzkripció (DNS-RNS átírás) és a transzláció (a polipeptidlánc szintézise a riboszómán). A fehérjék biológiailag aktív formái a legtöbbször további (ún. poszttranszlációs) módosulásokkal és feltekeredéssel (folding) jönnek létre.

transzkripció

transcription

A sejtmagban végbemenő folyamat, melynek során a DNS kettős hélixe felnyílik, és az ún templát szálról RNS másolat készül.

genetikai kód

genetic code

Azon szabályszerűségek összessége, amelyek meghatározzák, hogy a DNS-ben tárolt genetikai információ hogyan határozza meg a fehérjék aminosav sorrendjét. A nukleinsavakban három nukleotidból álló részlet (bázistriplet vagy kodon) határoz meg egy aminosavat.

replikáció

replication

A biológiai öröklődés alapvető folyamata, melynek során a DNS megkettőződik.

transzláció

translation

A fehérjeszintézisnek a sejtplazmában végbemenő részfolyamata, melyben a hírvivő RNS által kódolt aminosav szekvencia szerint a riboszómán létrejön a fehérjemolekula.