A GENETIKAI INFORMÁCI CIÓ TÁROLÁSA ÉS S KIFEJEZŐDÉSE A DNS SZERKEZETE Két antiparalel (ellentétes lefutású) polinukleotid láncból álló kettős helix A két lánc egy képzeletbeli közös tengely körül van feltekeredve, a tekeredés leggyakrabban jobbmenetes A két láncot egymáshoz komplementer bázispárok között kialakult hidrogén-hidak rögzítik A DNS ELSŐDLEGES SZERKEZETE N-tartalmú szerves bázis (A, T, C, G) Kémiai szerkezetük alapján megkülönböztetünk purinés pirimidin bázisokat Cukorfoszfát lánc foszfodiészter kötéssel egymáshoz kapcsolódó dezoxi-ribóz alegységekből áll A polinukleotid-lánc nem szimmetrikus szerkezetű, végei különböznek egymástól (5 -, 3 -vég) animáció PROKARIÓTA EUKARIÓTA A KROMOSZÓMA SZERVEZŐDÉSE A prokarióta sejtek DNS-e zárt, cirkuláris a DNS-nek nincsen szabad vége A replikáció alapvető problémáinak megértéséhez a prokariótákban történő DNS szintézis jó modellt nyújt Az eukarióta sejtek nukleáris DNS-e lineáris, és sokkal hosszabb, mint a prokarióta genom Az eukarióta DNS nem egy molekula, hanem annyi, ahány kromoszóma van a sejtben A DNS REPLIKÁCI CIÓJA A szerkezet sajátosságaiból 2 fontos dolog következik: A kettős spirál alakja vagy stabilitása független a nukleotidok sorrendjétől. Ezért kitűnően alkalmas információ tárolására. A szerkezet alapján könnyen elképzelhető annak megkettőződése olyan módon, hogy széttekeredik, és az új szál a régi nukleotid sorrendjével komplementer módon jön létre. SZEMIKONZERVATÍV REPLIKÁCI CIÓ Az új DNS molekula egyik lánca a mintául szolgáló és teljes egészében megőrződött szülői lánc, csak a másik lánc szintetizálódott újonnan. A DNS replikáció az S fázisban történik 1
A REPLIKÁCIÓ MECHANIZMUSA A DNS szemikonzervatív replikációjának lényege az, hogy a kettős spirál két lánca egymástól szétválik, és különkülön mindkettőről, mint mintáról (template) szintetizálódik egy új komplementer bázisszekvenciájú, antiparallel lefutású új lánc. A DNS kettős spirál széttekerésében a szupercsavart állapot megszüntetésében-, és replikációs villa kinyílásában topoizomeráz és helikáz enzimek vesznek részt. A mintául szolgáló DNS-lánccal komplementer, új DNSlánc szintézisét a DNS-polimeráz enzimek végzik. A folyamat meghatározott helyről indul, az ún. replikációs origóból. A másolás mindkét szálon megindul, de ellentétes irányban. A DNS szálak antiparalel lefutásúak, és a szintézis iránya mindig a mintául szolgáló szál 3 végétől indul az 5 vég felé. A replikációs villa a DNS szintézis helye. A DNS szintézis enzimaktivitás eredménye. A szintézishez DNS polimeráz enzim, nukleotid trifosztfátok (datp, dgtp, dctp, dttp), egyszálú templát DNS valamint kezdő vagy primer nukleinsav darab szükséges. PRIMER DNS + datp dgtp dctp dttp DNS polimeráz ÚJ J DNS A folyamatos szintézis iránya megegyezik a replikációs villa előrehaladásának irányával. A szintézis iránya mindkét szálon a mintául szolgáló szál 3 -végétől indul és az 5 -vége felé folytatóik. A két mintaszálat a szintézis eltérő miatt megkülönböztetik. A DNS polimeráz nem képes elkezdeni a polimerizációt egy kezdő, vagy primer szakasz nélkül. VEZETŐSZ SZÁL KÖVETŐSZÁL Ligáz z enzim A FEHÉRJ RJÉK K BIOSZINTÉZIS ZISÉNEK FOLYAMATAI A DNS-től a fehérjéig: miként olvassák a sejtek a genomot? A génexpresszió vagy kifejeződés 2 lépésben valósul meg: 1. TRANSZKRIPCIÓ - átírás 2. TRANSZLÁCIÓ - fordítás Az információáramlás iránya - CENTRÁLIS DOGMA: DNS TRANSZKRIPCIÓ RNS TRANSZLÁCIÓ FEHÉRJE TRANSZKRIPCIÓ A DNS alapú genetikai információ ugyan egy másik molekulába (RNS) íródik át, azonban a nyelvezet a nukleotidák nyelve -, továbbra is közös marad. TRANSZKRIPCIÓ A transzkripció egyszálú RNS-t produkál, amely komplementere a DNS egyik szálának. Az RNS szintézis templátja a 3-5 lefutású DNS szál (aktív szál). DNS függő RNS polimeráz Az RNS szintézis nem igényel primereket. Nincs szükség helikázokra és topoizomerázokra, az RNS polimeráz mindent egyedül végez el, vissza is tekeri a DNS helixét. 5-3 a szintézis iránya. A DNS-ben lévő start és stop szignálok jelzik az RNS polimerázoknak, hogy hol kezdjék és fejezzék be a transzkripciót. 2
A bioszintézis 3 fő szakaszra osztható: 1. Iniciáci ció a folyamat elindítása σ-faktor 2. Elongáci ció lánchosszabítás 3. Termináci ció a folyamat befejezése ELTÉRÉSEK A PROKARIÓTÁK ÉS S AZ EUKARIÓTÁK ÁTÍRÓ RENDSZERÉBEN Az mrns érése (splicing( splicing) A legmarkánsabb eltérés a prokarióta és eukarióta átíró rendszerek között. Eukariótákban kimutatták, hogy a DNS-ről átírt RNS mérete jóval nagyobb annál az mrns-nél, amely végül a fordítás templátjául szolgál. EXONOK kódoló szekvenciák INTRONOK aminosavsorrendjük nem határoz meg semmiféle eukarióta fehérjét Speciális nukleotida szekvenciák jelzik az exon intron határokat. A splicing az ún. spliceosomákban megy végbe, amely fehérjéből és a magban előforduló kis méretű RNS molekulákból áll. Az újonnan szintetizálódott mrns 5 -végére egy sapka kerül, ami metil-guaninból épül fel. A 3 -vége az RNS-nek poliadenilálódik, egy poli-a farok kerül rá. Transzláció A mrns-ben tárolt genetikai információ leforditása a nukleotidák nyelvéről az aminosavak nyelvére. A kódszótár Egy-egy aminosavnak megfelelő nukleotidhármast nevezünk kodonnak. Az mrns-ben jelen lévő 4 bázis mindegyike a kodonban 3 lehetséges helyen fordulhat elő 64 különböző kodon jön létre (a fehérjékbe csak 20 aminosav épül be). A mrns-ben lévő START és STOP kodonok jelzik a RIBOSZÓMÁNAK, hogy hol kezdje és fejezze be a transzlációt. Startkodon: AUG (Metionin) Stopkodonok: UGA, UAG, UAA 3
A kódszótár Az olvasási keret a START kodontól A STOP kodonig tart 60 kodon oszlik meg 19 aminosav között A trns Adapter szerepét látja el. A komplementerek által létrehozott másodlagos szerkezetsíkban kivetítve lóhere alakot hoz létre. Jellegzeteségei: HURKOK: I., II., III., IV. 3 OH végén CAA nukleotidsorrend (mozgékony) 5 vége foszforilálódott Egy aminosavat egynél több kodon is meghatározhat, egy kodon azonban mindig csak egy aminosavnak felel meg. A genetikai kód néhány kivételtől eltekintve univerzális! Térbeli szerkezete L alakú a hidrogénhidak által kialakított szerkezet miatt A trns Kodon-Antikodon lötyögés Azonos aminosavat jelző különböző kodonokat (ha azok csak a 3. betűjükben különböznek egymástól), gyakran ugyanaz a trns molekula ismeri fel. Dihidrouracil tartalmú nukleotid Timidin- Pszeudouridin- Citidin szekv. A kodon-antikodon kapcsolatban 3 bázispár alakul ki, a komplementerantiparalel nukleotidok kapcsolata nem olyan szigorú mint a DNS-ben. 5 oldalon egy pirimidint tartalmazó nukleotid Nagysága változatos (variábilis) A kodon 3. helyen lévő bázisa és az antikodon 1. helyen lévő bázisa között jön létre a kodonantikodonkapcsolat Az antikodon hurokban az ANTIKODONT 3 bázis alkotja 3 oldalon egy módosított purint tartalmazó nukleotid A alanin beépült oda, ahová az alaninnak kellett volna. Kautikus redukció Az aminosavat szállító trns felismerését, maga az aminosav nem befolyásolja Kísérleti úton a ciszteint katalitikus hidrogénezéssel redukálták. A cisztein SH- oldalláncát metilcsoporttá, így a ciszteint alaninná alakították Aminoacil-tRNS szintetázok A trns molekula és a az aminosav közötti kapcsolat kialakításáért felelősek. Aminosav aktiválása Aminoacil-AMP képződik A sejt legnagyobb specifitású enzimei közé tartoznak. Pirofoszfát hasad le AMP hasad le Savanhidrid kötés Aktivált aminosav átvitele a specifikus trns-re 4
Riboszómák Egy kisebb és egy nagyobb részegységből álló ribonukleoprotein részecskék Riboszómák A transzlációban éppen részt nem vevő inaktív riboszómák disszociált állapotban vannak. A polipeptidlánc szintézisének iniciációjakor a két alegység egyesül,a szintézis végén pedig ismét szétválik (ismétlődő riboszómaciklus). Riboszómák Policisztronos, azaz több polipeptidlánc szerkezetére vonatkozó információt hordoz. Az információ az AUG kodonnal kezdődik Prokarióta mrns A STOP kodont követi a következő polipeptid START kodonja (AUG) (Iniciáció) Az mrns a riboszóma kis alegységéhez kötődik Iniciációs komplex (30S) Az AUG kodonhoz az iniciátortrns antikodonja kapcsolódik A kezdő metionin formileződik, ezt szállítja az iniciátor trns (trns fmet ) Az AUG előtt egy nem kódoló szakasz van, a riboszómához kötődést segíti Az első polipeptidet kódoló szakasz a STOP kodonnal fejeződik be GTP + iniciációs faktorok (IF1, IF2, IF3) szükségesek a kialakulásához 50S alegység (Elongáció) EF-TU (Elongáció) A második aminosav aminocsoportja peptidkötést alkot a formil metionin karboxilcsoportjával A folyamatot az 50S alegység peptidil transzferáz enzime katalizálja EF-Ts 5
(Elongáció-Transzlokáció) Az AUG kodon és az üres iniciátor trns legördül a P helyről, ide a második aminosavnak megfelelő kodon és és a kéttagú peptidet hordozó trns kerül (Termináció) Az A helyen megjelenik valamelyik a STOP kodonok közül Újabb trns molekulák helyett terminációs faktorok kötődnek (RF1, RF2) A folyamat GTP-t igényel, amiben a EF-G (transzlokáz), segédkezik Az A helyen megjelenik a lánc 3. tagját meghatározó kodon A riboszóma alegységeire esik A polipeptid-transzferáz lehasítja a polipeptid láncot az utolsó trns-ről (P hely) Miután az első riboszóma elhagyta az mrns leolvasása közben az első kb. 80 nukleotidnyi szakaszt, újabb riboszóma kezdi el a szintézist a láncon. Poliszóma Fehérjeszintézis a mitokondriumban Osztódással szaporodik Önálló genetikai rendszerrel rendelkezik (cirkuláris DNS) 2 rrns gén 13 fehérje gén Annyi amennyi elfér a láncon. A poliszómaszerkezet stabilizálja a láncot. Az mrns 5 végén nem jelenik meg a Cap, de a 3 végén megtalálható a Poli-A farok 22 trns gén Nem tökéletesen érvényes a genetikai kód univerzálissága UGA=Triptofán AGG=STOP kodon AUA=Metionin 6