Nukleinsavak
Szerkezet, szintézis, funkció
Nukleinsavak, nukleotidok, nukleozidok 1869-ben Miescher a sejtmagból egy savas természetű, lúgban oldódó foszfortartalmú anyagot izolált, amit később, eredetére utalva nukleinsavnak neveztek el. Kiderült, hogy a nukleinsavak és különböző származékaik minden sejtben előfordulnak és nélkülözhetetlen feladatokat látnak el. A nukleinsavak, a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS) nagy molekulatömegű polimer molekulák, amelyek az átörökítendő információ tárolására, annak átírására (transzkipció) és átfordítására (transzláció) alkalmasak, és így a sejt összes fehérjéje szintetizálható. A különféle sejtekből nyert nukleinsavak teljes hidrolízisével pentózokat, purin- és pirimidinbázisokat, valamint foszforsavat lehet izolálni. A hidrolízis körülményeinek (savas, lúgos vagy enzimatikus) változtatásával részleges lebontás is megvalósítható. Az így nyerhető összetett építőegységek közül a nukleotidokban a cukormolekulához szerves bázis és foszforsav kapcsolódik, a nukleozidokban pedig a cukor szerves bázissal képez vegyületet.
Nukleinsavak Részleges hidrolízis 1N NaOH, 25 C
Nukleotidok Részleges hidrolízis cc. NH3, 180 C
Nukleozidok + foszforsav Hidrolízis
DNS: dezoxiribonukleinsav cukor komponense a dezoxiribóz RNS: ribonukleinsav – cukor komponense a ribóz
H+
Pentózok + purin vagy pirimidin bázis 194
A nukleinsavak monomerjei; a nukleotidok
DNS
RNS
Nukleinsav építőelemek: a D-ribóz és a 2-dezoxi-D-ribóz D-ribóz
2-dezoxi-D-ribóz
A D-ribóz és a 2-dezoxi-D-ribóz a nukleozidokban mindig az 5 tagú gyűrű (furanóz) formájában van jelen.
A nukleinsavakat felépítő bázisok szerkezete Bázisként 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, purinbázis esetén pedig ozin végződést illesztünk a bázis nevének első részéhez. A DNS-ből nyert nukleozidok nevéhez dezoxi előtag járul. RNS DNS
198
A nukleobázisok
Purin származékok N N H
Pirimidin származékok
N N
csak DNS-ben
N N
Imidazo[4,5-d]pirimidin Kapcsolódási pont a pentofuranóz egység anomer szénatomjához.
csak RNS-ben
A nukleobázisok stabilis tautomerjei és részvételük H-hidakban
laktám
sC-O pC-O sC-N pC-N sH-O sH-N
kcal/mól 91 96 75 74 110 93
laktim
Nukleozidok előállítása, fizikai és kémiai sajátsága A nukleinsavak szerkezetfelderítése szempontjából jelentős a nulkleozidok szintetikus úton történő előállítása is. Ennek egyik lehetséges és gyakori módja, amikor acilezett -D-ribofuranozil-kloridból és a megfelelően védett purinvagy pirimidinszármazék klórmerkuri sójából kiindulva alakítják ki a -glikozidos kötést.
triacetil--D-ribofuranozil-klorid
6-acetilaminopurin-klórmerkuri-só
A nukleozidok magas olvadáspontú, vízben jól oldódó színtelen kristályos vegyületek. A glikozidos kötés lúggal szemben ellenálló, míg híg savval könnyen hidrolizálható, miközben pentóz és bázis képződik. A dezoxiribonukleozidok esetében kíméletes körülményeket kell alkalmazni, mivel a képződő 2-dezoxi-D-ribóz savérzékeny.
201
A nukleotidok szerkezete, fizikai és kémiai sajátságaik A nukleotidok a nukleinsavak háromrészes építőegységei. Foszforsavészterek, melyek a nukleinsavakból enyhe lúgos vagy enzimatikus hidrolízis hatására képződnek. A hidrolízistermékek között a ribonukleinsavak 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 észteresített hidroxilcsoport helyét. Szokásos a nukleotidok nevét rövidítve megadni, például uridin-5’-foszfát = 5’UMP.
202
A nukleotidok magas olvadáspontú, vízben oldódó kristályos vegyületek. A dihidrogénfoszfát csoport jelenléte miatt erős savak. A nukleotidok óvatos savas hidrolízise a glikozidos kötés hasadásával bázist és pentózfoszfátot eredményez, lúgos hidrolízissel pedig a foszforsav sója mellett a megfelelő nukleozidot lehet izolálni.
HO H2C
O
O
N
OH
P OH OH O
H / H2O
NaOH / H2O
ribonukleotid-3'-foszfát HO H2C
O
OH + HN
O
OH
P OH OH O riboz-3'-foszfát
HO H2C
N
Na3PO4 HO
bázis
O
OH
ribonukleozid
A DNS-t alkotó nukleotidok
Az RNS-t alkotó nukleotidok
A nukleotidok előállítása
dibenzil-foszfokloridát izopropilidénnel védett cukor
A nukleotidok szintézise – ugyanúgy, mint a nukleozidoké – a nukleinsavak szerkezetfelderítése szempontjából fontos. Gyakori reakcióút, hogy a cukrok hidroxilcsoportját dibenzil-foszfokloridát reagens segítségével alakítják foszforsavészterré. Például, a 2’,3’ hidroxilcsoportján védett ribonukleozidból 5’-foszfát nyerhető.
A nukleinsavak elsődleges szerkezete A nukleinsavak nukleotidokból épülnek fel úgy, hogy a polinukleotid láncban a pentózok 5’ és 3’ hidroxilcsoportja foszforsavdiészter-kötéssel kapcsolódik össze. A pentózok 2’ szénatomján a DNS-ben hidrogén, az RNS-ben pedig szabad hidroxilcsoport található. Tehát a polimer molekula gerincét, primer szerkezetét mind a DNS-ben, mind az RNS-ben a pentóz-foszfát lánc alkotja, melynek változékonyságát a cukorrészhez kapcsolódó bázisok jelentik. 5'-láncvég HO
H2C
O
, 5
N
, 3
O
nukleotid egységek
R
O P O
HO
H2C
O
, 5
N
, 3
R
O
O P cukor-foszfát lánc
O
HO
H2C,
O
N
5
, 3
R
O
O P HO
O H2C,
O
N
5
, 3
HO
R
3'-láncvég
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 között az tette lehetővé, hogy találtak olyan specifikus enzimeket, melyek a polinukleotid lánc észterkötését 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. Az ún. 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 a DNS szintézist katalizálja. A nukleinsavak bázissorrendjének meghatározására a Maxam és Gilbert (1977)-féle kémiai degradáló és a Sänger és Coulson (1975)-féle láncterminációs módszer ismert, amelyek közül jelenleg a láncterminációs módszert használják. A DNS bázissorrendjének meghatározása Sanger nevéhez fűződik: szekvenálási eljárás alapelve nem a lebontás, hanem az enzimkatalizált DNS-szintézis irányított megszakítása. A szintézis megszakítására 2’,3’-didezoxi-ribózt alkalmazott, ami a 3’ láncvégen nem tud észteresedni, ezért az eljárás didezoxi módszer néven vált ismertté.
Frederick Sanger (1918 - 2013) Nobel díj – 1958: inzulin aminosav sorrendjének meghatározása Nobel díj – 1980: DNS szekvencia meghatározásáért
Láncterminációs módszer A láncterminációs módszer során a vizsgálandó DNS-t először egyszálúvá teszik. A folyamat kulcsenzime, a DNSpolimeráz I alkalmas arra, hogy az egyszálú DNS kiegészítő szálát elkészítse, de ehhez szükség van egy rövid kétszálas szakaszra is, amely az indító szerepét játssza. Az egyszálú DNS-hez tehát egy rövid oligonukleotid primert hibridizálnak, amelytől kezdődően elindulhat a második szál szintézise. A szekvenáláshoz négy reakció készül, ezek mindegyike tartalmazza a mintául szolgáló egyszálú DNS-t és a hozzá hibridizált primert, valamint tartalmazzák a négyféle nukleozidtrifoszfátot (dATP, dCTP, dGTP és dTTP) is. A nukleozid-trifoszfátok közül az egyiket radioaktívan jelölik, hogy a termék később kimutatható legyen. Tartalmaznak az elegyek továbbá didezoxi-NTP-t (ddNTP), de mindegyik elegy csak egyfélét. A DNS-lánc felépülését katalizáló polimeráz enzim jelenlétében megindul a mintának megfelelő komplementer 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 tud kapcsolódni a következő nukleotid. Ha a ddNTP és a dNTP aránya megfelelő, akkor a ddNTP beépülésekor létrejövő lánctermináció statisztikusan úgy oszlik el, hogy az összes lehetséges vég képviselve lesz. A négyféle reakciót párhuzamosan végzik, és az elegyeket poliakril-amid gélre viszik, ahol elektroforézist végeznek. A gél felbontóképessége maximális, azaz már egy nukleotid különbséget is ki tud mutatni. A négy elegynek megfelelően négy oszlop fut párhuzamosan, s a kapott csíkok magasságából megállapítható, hogy melyik szakasz zárult adeninnel, melyik guaninnal, melyik timinnel és melyik citozinnal; ebből pedig összeállítható a vizsgált DNS bázissorendje. A szekvencia-adatokat nemzetközi számítóközpontokban, ún. génbankokban helyezik el. A saját szekvencia gyors komputeres programok segítségével összehasonlítható a génbankban levő ismert szekvenciákkal (Sain és Erdei, 1985).
Növényvírusok és virológiai vizsgálati módszerek dr. Horváth József - dr. Gáborjányi Richard Mezőgazda Kiadó
Láncterminációs módszer
Chargaff szabályok A különböző eredetű DNS-molekulák hidrolizátumában a purinbázisok (adenin és guanidin) moláris mennyisége mindig azonos a pirimidinbázisokéval (timin és citozin), sőt további szabályosság, hogy az adenin mennyisége a timinével, valamint a guanin mennyisége a citozinéval azonos (Chargaff-szabályok 1950). Ezek okára csak a szerkezet megfejtése adott magyarázatot (1953. James D. Watson és Francis Crick).
Az RNS-ek esetében nincs ilyen szabályserűség.
Erwin Chargaff (1905 – 2002)
Chargaff szabályok 1. T+C (pirimidinek) = A+G (purinok) 2. A = T és G = C 3. A+T nem = G+C Egyes fajok AT/GC aránya nagyon eltérő lehet. Fajon belül a különböző szervekben mindig azonos.
Bázispárok között kialakuló hidrogénkötések
A DNS térszerkezete
1920-1958
1916-2004
DNS röntgen krisztallogramja. A keresztet formáló foltok a helikális struktúrára jellemző kép, míg a kép jobb és baloldalán látható sávok a bázisoktól származnak. Az 51-es fotó adatai alapján Watson és Crick nem csak azt tudták megállapítani, hogy a távolság a két szál között állandó, hanem a pontos 2 nanométeres értékét is meg tudták mérni. Ugyanaz a fotó adta meg nekik az a hélix 3,4 nanométer/10 bázispár „sűrűségét”. Röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálatok: Rosalind Franklin, Maurice Wilkins az 1950 körül kezdték a kikristályosított DNS röntgendiffrakciós szerkezetelemzését. Az eredmények (röntgendiffrakciós felvételek) kiértékelhetősége erősen függött a kristályosítás sikerétől. Franklin egyre jobb felvételeket készített, melyek igazolták a molekula helikális szerkezetét.
A DNS másodlagos szerkezete - 1953
3,4 nm
2 nm
Francis H.C. Crick (1916 – 2004) Nobel díj: Nukleinsavak szerkezetének meghatározásáért 1962
James D. Watson (1928 -) Nobel díj: Nukleinsavak szerkezetének meghatározásáért 1962
216
A Watson - Crick modell: a DNS szerkezetének megfejtéséhez James D. Watson és Francis Crick 1950-ben fogott neki, mert meg voltak róla győződve, hogy a DNS az örökítő anyag és a szerkezet megfejtése alapvetően rávilágít az öröklődés molekuláris mechanizmusára. Riválisuk Linus Pauling volt, aki elsősorban a fehérjék szerkezetét kutatta, és akkoriban állította fel, majd később részletesen igazolta is munkatársaival, hogy a fehérjék felépítésében lényeges szerepe van az alfa-helix szerkezetnek. A két rivális csoport több modellt állított fel, melyek rövid időn belül tévesnek bizonyultak. Végül a versenyt Watson és Crick (illetve Franklin és Wilkins) nyerték meg 1953-ban, amikor közölték híres, egy oldalas cikküket a NATURE folyóiratban. 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-hidakkal stabilizáltak, 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 heterociklusok permutálódnak, bázispárok miatt a DNS két szála komplementer jellegű a heterociklusok pontos szekvenciája hordozza az információt.
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 antiparalel, 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, mit 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 elektrosztatikus taszító 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 jön létre.
A DNS-t alkotó két polinukleotid lánc kettős helixet alkotva egymás mellé csavarodik. A hélix külső palástját a pentózfoszfát polimer lánc alkotja, a paláston belül pedig a bázisok páronként hidrogénkötésekkel kapcsolódnak össze. E szabályos szerkezet kialakulásához az szükséges, hogy a két összecsavarodó lánc szerkezete pontosan megfeleljen egymásnak. A két szál bázissorrendje egymást kiegészítő, azaz komplementer szerkezetű, tehát az egyik szál bázissorrendje szigorúan megszabja a másik szál szekvenciáját A hélix szerkezet rögzítéséhez a bázispárok hidrogénkötésein kívül, a síkban egymás felett elhelyezkedő bázisok heteroaromás 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.
221
A DNS szerkezet változatai 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
B-forma
A-forma (középen) Z-forma (jobbra)
A Z forma ellentétes lefutású, torzult szerkezet (zig-zag DNA), mely speciális esetekben jöhet létre.
B-forma
A-forma
Z-forma
Z-forma
A DNS szerkezetek adatai
DNS szuperszerkezetek
Schematic illustration of closed circular DNA in open conformation (left) and then in a negative supercoiled conformation (middle) and positive supercoiled conformation (right).
A DNS harmadlagos szerkezete A DNS-molekula óriási méretű, a legkisebbek 5000 bázispárból (5 kb; kilobázis) állnak és 1700 nm hosszúak. Az emberi DNS – a teljes humán genom – közel 6 millió kb-ból épül fel és teljes hossza eléri a 2 m-t. A szabályos kettős helix természetesen meghajlik, összetekeredik és ezt tekintjük a harmadlagos szerkezetnek. A DNS-molekula szervezettségének a legmagasabb szintje a kromoszóma, ami már fehérjéket is tartalmaz a DNS mellett. A teljes DNS lánc egy-egy rövidebb szakaszát tekintjük géneknek, a gének sorrendjét pedig genetikai térképnek nevezzük. Az 1990-ben elindított átfogó kutatás, a humán genom (HUGO) program elvezetett mind a 23 emberi kromoszóma teljes nukleotidsorrendjének feltárásához.
225
A DNS megkettőződése Szemikonzervatív replikáció
Az -helix struktúra a DNS topoizomeráz és helikáz enzimek hatására megszűnik, majd a DNS polimeráz a szétcsavarodott szálak mellé kiépíti azok komplementerét. Így az eredetivel teljesen azonos két új szálat kapunk. A DNS polimeráz mindig csak az 5’ → 3’ irányba képes felépíteni az új szálat. Így míg az egyik szál kiépülése folyamatos az 5’ vége felől („leading-vezető”), addig a másik szál (lagging - követő) felépülése a széttekeredés felől történik, és a keletkező fragmenseket (Okazaki fragmensek) a DNS ligáz enzim kapcsolja össze egységes szállá. 226
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 azt követő rekombináció során keletkező hibás nukleotidpárokat javítja ki. Ez a mechanizmus nagyjából ezredrészére csökkenti 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 DNS
transzkripci ó
transzláció mRNS
(dekódolás)
Fehérjék
(átírás)
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 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. 229
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 (eukarióta sejtek).
nem-kódoló RNS: • tRNS: transzfer RNS: segít az mRNS-en található kód (kodon) leolvasásában. Minden létező kodonhoz külön tRNS tartozik, mely a kodonnak megfelelő aminosavat hordozza, és a riboszómához szállítja, majd ott részt vesz a fehérjeszintézisben • rRNS: riboszomális RNS: a riboszóma alkotóeleme, mely a fehérjeszintézis katalitikus 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)
A hírvivő (messenger) RNS (mRNS) A hírvivő RNS vagy mRNS az RNS-molekulák azon csoportjába tartozik, amely a sejtekben a legkisebb arányban fordul elő. Az mRNS-en tárolt információ meghatározza, hogy a különböző aminosavak milyen sorrendben épüljenek be a készülő polipeptid láncba.
231
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 az aminosav-kötőhely és a templát-felismerőhely. Az aminosavak kötése a molekula ún. 3’ végén történik (az egyes nukleotidegységek kapcsolódása a ribóz 3’ szénatomjához és 5’ szénatomjához kapcsolódó OH- ill. PO4csoportokon keresztül történik. 3’ végnek nevezzük a lánc azon végét, ahol a nukleotid 3’ szénatomján elhelyezkedő OH-csoporthoz nem kapcsolódik foszfát). A templát-felismerőhelyet antikodonnak is szokták nevezni. A mRNS molekula három nukleotidjához (egy kodonjához) kapcsolódik. A kodont alkotó nukleotidok sorrendjének megfelelően egy specifikus tRNS kötődik a riboszómához, és szállítja a növekvő polipeptidlánc (fehérje) soron következő aminosavegységét. Az RNSmolekulák össztömegének 15%-át adja.
232
A riboszóma RNS (rRNS) Az összes RNS tömegének 85%-át e típus adja. A riboszómák felépítésében vesznek részt (a fehérjék mellett).
Az RNS-molekulák szintézisét specifikus enzimek, az RNS-polimerázok katalizálják. A polimerázok működéséhez a következő összetevőkre van szükség: • templátmolekula: templátnak nevezzük általános értelemben a képződő makromolekula szerkezetét meghatározó információt hordozó molekulát, jelen esetben a DNS-t. •a nukleotidok aktivált előalakjai (prekurzorai): a négyféle bázist tartalmazó nukleozid-trifoszfátok, • fémionok (E. coliban: Mg2+ vagy Mn2+)
233
• 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
235
A tRNS térszerkezete: általában egyszálú, de a Watson-Crick-féle párképzés a szálon belül itt is kialakulhat.
A-típusú kettős helix
RNS típusok jellemzői
Nuleotid koenzimek A nukleotidok nemcsak a nukleinsavak alkotórészeként fordulnak elő az élő természetben, hanem szabad állapotban 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 lejátszódó szintézisfolyamatok energiaigényét, ugyanakkor az anyagcsere során a lebomlási folyamatokban képződő energia az ADP ATP átalakulás során elraktározódik. A ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) ugyan nem képes átjutni a sejtmembránon, de másodlagos hírvivő (second messenger) molekulaként fontos szerepet játszik a sejten belüli jelátviteli (szignál transzdukció) folyamatokban. Olyan hormonok hatásának kiváltásában vesz részt, mint például a glukagon és az adrenalin. Fő hatása a proteinkináz enzimek aktiválása, és szabályozza a Ca+ ionok ioncsatornákon keresztüli áthaladásának mértékét is. 238
239
