A GENETIKAI INFORMÁ INFORMÁCIÓ CIÓ TÁROLÁ ROLÁSA ÉS KIFEJEZŐ 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
PROKARIÓTA
•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
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
EUKARIÓTA
•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 REPLIKÁ REPLIKÁCIÓ 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.
A KROMOSZÓMA SZERVEZŐDÉSE
Animáció
SZEMIKONZERVATÍ SZEMIKONZERVATÍV REPLIKÁ REPLIKÁCIÓ 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 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. dATP PRIMER DNS +
dGTP
DNS polimerá polimeráz
dCTP
ÚJ DNS
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 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 mechanizmusa miatt megkülönböztetik. A DNS polimeráz nem képes elkezdeni a polimerizációt egy kezdő, vagy primer szakasz nélkül. VEZETŐ VEZETŐSZÁ SZÁL KÖVETŐ VETŐSZÁ SZÁL Ligá Ligáz enzim
dTTP
Animáció
A FEHÉ FEHÉRJÉ RJÉK BIOSZINTÉ BIOSZINTÉZISÉ 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
FEHÉ 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. Animáció
2
A bioszintézis 3 fő szakaszra osztható: 1. Iniciá Iniciáció ció – a folyamat elindítása – σ-faktor 2. Elongá Elongáció ció – lánchosszabítás 3. Terminá Termináció ció – a folyamat befejezése
ELTÉ ELTÉRÉSEK A PROKARIÓ PROKARIÓTÁK ÉS AZ EUKARIÓ EUKARIÓTÁK ÁTÍRÓ RENDSZERÉ RENDSZERÉBEN
Animáció
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
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.
Speciális nukleotida szekvenciák jelzik az exon – intron határokat.
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 tRNS
A kódszótár Adapter szerepét látja el. Az olvasási keret a START kodontól A STOP kodonig tart 60 kodon oszlik meg 19 aminosav között
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
Animáció
Kodon-Antikodon lötyögés
A tRNS
Azonos aminosavat jelző különböző kodonokat (ha azok csak a 3. betűjükben különböznek egymástól), gyakran ugyanaz a tRNS molekula ismeri fel. Dihidrouracil tartalmú nukleotid
TimidinPszeudouridinCitidin szekv.
5’ oldalon egy pirimidint tartalmazó nukleotid
A kodon-antikodon kapcsolatban 3 bázispár alakul ki, a komplementerantiparalel nukleotidok kapcsolata nem olyan szigorú mint a DNS-ben.
Nagysága változatos
A kodon 3. helyen lévő bázisa és az antikodon 1. helyen lévő bázisa között jön létre a kodonantikodonkapcsolat
(variábilis)
Az antikodon hurokban az ANTIKODONT 3 bázis alkotja
3’ oldalon egy módosított purint tartalmazó nukleotid
Kautikus redukció Az aminosavat szállító tRNS felismerését, maga az aminosav nem befolyásolja
Aminoacil-tRNS szintetázok
Aminosav aktiválása
Kísérleti úton a ciszteint katalitikus hidrogénezéssel redukálták. Aminoacil-AMP képződik
A alanin beépült oda, ahová az alaninnak kellett volna.
A cisztein SH- oldalláncát metilcsoporttá, így a ciszteint alaninná alakították
Savanhidrid kötés
A tRNS molekula és a az aminosav közötti kapcsolat kialakításáért felelősek.
A sejt legnagyobb specifitású enzimei közé tartoznak.
Pirofoszfát hasad le
AMP hasad le
Aktivált aminosav átvitele a specifikus tRNS-re
4
Riboszómák
Riboszómák A transzlációban éppen részt nem vevő inaktív riboszómák disszociált állapotban vannak.
Egy kisebb és egy nagyobb részegységből álló ribonukleoprotein részecskék
A polipeptidlánc szintézisének iniciációjakor a két alegység egyesül,a szintézis végén pedig ismét szétválik (ismétlődő riboszómaciklus).
Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa
Riboszómák Policisztronos, azaz több polipeptidlánc szerkezetére vonatkozó információt hordoz. Az információ az AUG kodonnal kezdődik
Prokarióta mRNS Az AUG előtt egy nem kódoló szakasz van, a riboszómához kötődést segíti
(Iniciáció) Az AUG kodonhoz az iniciátortRNS antikodonja kapcsolódik
Az mRNS a riboszóma kis alegységéhez kötődik
A STOP kodont követi a következő polipeptid START kodonja (AUG)
A kezdő metionin formileződik, ezt szállítja az iniciátor tRNS (tRNSfmet)
Iniciációs komplex (30S)
GTP + iniciációs faktorok (IF1, IF2, IF3) szükségesek a kialakulásához
Az első polipeptidet kódoló szakasz a STOP kodonnal fejeződik be
Animáció
Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa (Elongáció)
50S alegység
Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa (Elongáció) A második aminosav aminocsoportja peptidkötést alkot a formil metionin karboxilcsoportjával
EF-TU
A folyamatot az 50S alegység peptidil transzferáz enzime katalizálja EF-Ts
Animáció
5
Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa (Elongáció-Transzlokáció)
Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa (Termináció) Az A helyen megjelenik valamelyik a STOP kodonok közül
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
Újabb tRNS molekulák helyett terminációs faktorok kötődnek (RF1, RF2)
Az A helyen megjelenik a lánc 3. tagját meghatározó kodon A polipeptid-transzferáz lehasítja a polipeptid láncot az utolsó tRNS-ről A folyamat GTP-t igényel, amiben a EF-G (transzlokáz), segédkezik
A riboszóma alegységeire esik
(P hely)
Animáció
Fehérjeszintézis a mitokondriumban
Poliszóma Miután az első riboszóma elhagyta az mRNS leolvasása közben az első kb. 80 nukleotidnyi szakaszt, újabb riboszóma kezdi el a szintézist a láncon.
Osztódással szaporodik Önálló genetikai rendszerrel rendelkezik (cirkuláris DNS) 2 rRNS gén
13 fehérje gén 22 tRNS gén
Annyi amennyi elfér a láncon.
Nem tökéletesen érvényes a genetikai kód univerzálissága
A poliszómaszerkezet stabilizálja a láncot.
Animáció
Az mRNS 5’ végén nem jelenik meg a Cap, de a 3’ végén megtalálható a Poli-A farok
UGA=Triptofán
AUA=Metionin
AGG=STOP kodon
6
