Molekuláris genetika

Az élőlények kialakulásának, fennmaradásának, szaporodásának bonyolult folyamatait alapvetően a génekben tárolt információk szabályozzák. A genetikai rendszer főszereplői a nukleinsavak és fehérjék. A DNS központi szereppel bír, a 3 funkciója a DNS kódolta en-zimfehérjék segítségével:

 A genetikai információ tárolása.

 Az információk átadásának biztosítása az utódoknak: replikáció (megkettőződés).

 A sejt fehérjetermelésének zavartalanságát biztosítja:

A központi dogma értelmében a genetikai információ áramlása az egész élővilágban egyirányú folyamat:

transzkripció transzláció

(átírás) (lefordítás)

replikáció DNS RNS fehérje.

Ennek értelmében a fehérje nem kódol RNS-t, és az RNS nem kódol DNS szekvenciát!

Kísérleti alátámasztása van, és az „Egy gén – egy enzim – egy funkció” elmélet része (minden egyes – reakcióspecifikus – enzimet a DNS vezérel egyetlen gén segítségével: az információ nemcsak a fehérjék szerkezetére vonatkozik, hanem azok szintézisének meny-nyiségi / időbeli szabályozására is; végeredményben a sejtek csaknem valamennyi funkció-ja a DNS ellenőrzése alatt áll).

3.7.2. A genetikai kód

A genetikai kód egyértelmű^[1], univerzális^[2], degenerált^[3], átfedés- és kihagyásmentes bá-zishármasokból álló DNS triplet, mely mRNS kodonra (= triplet komplementer), majd tRNS antikodonra (= kodon komplementer) íródik át.

A gének számos tripletet tartalmazó nukleinsav-szakaszok a kromoszómákban. A tripletek száma = kódolt fehérje aminosav-száma + szabályozó tripletek. Az aminosavakat egyedien^[1] kódoló tripletek egy-két kivételtől eltekintve (mitokondriális genetika) az élet összes formájában megegyeznek^[2]. 4-féle bázissal 4³ = 64 triplet 20 aminosavra, vagyis a kód redundáns^[3], de eltérés csak a 3. bázisban („lötyögés”) van, ennek szerepe a DNS hi-bajavítás. Összesen 61 aminosavtriplet és 3 stopkodon van, startkodon nincs külön (AUG=Met: metionin kóddal kezdődik minden szekvencia, ezt később egy mechanizmus eltávolítja).

A génkifejeződés (-expresszió): a szervezet összes sejtje ugyanazzal a genetikai infor-mációval rendelkezik. A differenciálódás folyamata határozza meg, mely sejtekben mely gének lépnek működésbe – bizonyos funkciókat ellátó fehérjék szintézisének vezérlésével.

Már kialakult szövet sejtjeiben a csak más szövetekben szerepet játszó gének inaktív álla-potban vannak jelen.

3.7.3. A DNS replikáció

A DNS replikáció résztvevői (főbb enzimjei) és folyamata pl. eukarióta sejtben az interfázis S szakaszában (3.7.1. ábra):

A relaxációs fehérje (topoizomeráz) a kezdőpontban (A::T gazdag szekvencia) a kettős spirál egyik láncát megbontja (a rugalmas feszültség relaxálódik, így a másik szálról lecsa-varodik) és visszaköti. Az eukariótákban a DNS láncok hosszúak (>10⁸ bázispár, 50 bá-zis/s: másolás sok idő), vagyis sok a kezdőpont.

A helikáz a H-kötéseket szétbontja: kialakul a replikációs villa. A szétcsavarodott szá-lakat az SSB fehérjék stabilizálják, nehogy összeforrjanak. A szétvált szálak a minták (templátok) az új komplementer szálakhoz. A szintézist a DNS-polimeráz végzi dezoxiribonukleozid-trifoszfátokból – az energiát a felszakadó foszfátkötés adja.

A DNS-polimeráz nem tud új szálat kezdeni: először az RNS-polimeráz (primáz) rövid RNS-t (primert) szintetizál, a DNS-polimeráz ehhez kapcsolja a soron következő moleku-lákat – mindig 5’3’ irányban (az olvasás mindig 3’5’ irányú)! A két ág antiparallel, rajtuk különböző folyamatok zajlanak. A vezető szálon folytonos másolat készül, a lema-radó szálon első lépésben nem összefüggő DNS-szál, hanem szakaszok keletkeznek, ezeket a DNS-ligáz kapcsolja össze. A primert a DNS-polimeráz bontja le, és tölti be a helyét a megfelelő nukleotidokkal.

Végeredményben a replikáció szemikonzervatív: az egyik új szál az eredeti DNS-ből származik.

3.7.1. ábra: A DNS replikáció résztvevői és folyamata

3.7.4. Transzkripció

A sejtmagban a DNS értelmes (minta) szálának egy génnyi szakaszáról mRNS másolat készül (3.7.2a. ábra). Erre azért van szükség, mert a DNS nagy, így nem jut ki a sejtmagból (védelem).

Az átírást (transzkripciót) az RNS-polimeráz végzi: felismeri a kezdőszakaszt (promoter), ahol a sel komplexet alkot. Ilyenkor is leolvashatóvá kell válnia a DNS-nek: az enzim addig halad a DNS-láncon, amíg TATA szekvenciához ér, itt a DNS könnyen despiralizálódik. Az mRNS szintén 5’3’ irányban épül (~50 nukleotid/s), de itt nem léte-sít H-kötéseket a DNS-mintával. Az enzim mögött egyből zárul a kettős spirál: az épülő RNS „kilóg”, míg a folyamat végén teljesen le nem válik a mintáról. Az átírás a stopkodon észleléséig tart.

A legyártott (heterogén nukleáris) hnRNS olyan szakaszokat (intronokat) is tartalmaz, amire nincs később szükség: érési folyamat során válik mRNS-sé. Ez az ún. splicing snRNS segítségével (3.7.2b. ábra). Az mRNS, a tRNS, és az rRNS szintézisét három

kü-lönböző RNS-polimeráz végzi (I, II, és III). Intron kizárólag az mRNS képződéséhez veze-tő hnRNS-ekben fordul elő.

3.7.2. ábra: A transzkripció folyamata (a), valamint a „splicing” (b)

3.7.5. Transzláció

A citoplazmában az mRNS-t a genetikai kód alapján lefordítva polipeptid készül az alábbi fázisok során (3.7.3. ábra):

 Lánckezdés: A transzlációért felelős enzim felismeri és aktiválja (+ATP) a megfele-lő aminosavat és specifikus tRNS-éhez köti. A riboszóma kis alegységéhez iniciációs fehérje segítségével hozzákapcsolódik az mRNS start szakasza. Ehhez kötődik a kezdő aminosav (Met).

 Lánchosszabbodás: A riboszómán a két alegység összekapcsolódásakor két bemé-lyedés alakul megfelelő térviszonyokkal a tRNS megkötésére. Miután a tRNS az A kötőhelyen megkötődött, átvándorol a P kötőhelyre. Ekkor a riboszóma egy kodonnal elmozdul az mRNS-en (transzlokáció) és a szabad A kötőhelyre belép a következő aminosavat szállító tRNS: a két aminosav között a peptidiltranszferáz kialakítja a peptidkötést. Az első tRNS leszakad a dipeptidről (alkalmassá válik

újabb transzportra), a második pedig a dipeptiddel átköltözik a P kötőhelyre: a ri-boszóma újabb kodonnal elmozdul.

 Termináció: Ha stop-kodon kerül az A kötőhelyhez, a tRNS nem tud kapcsolódni.

A riboszómához kötődő „felszabadító faktor” fehérje észleli a stop-kodont, és az utolsó aminosav beépülése után a polipeptidláncot leválasztja az utolsó tRNS-ről.

 Egy mRNS-hez egyszerre több riboszóma is kötődhet – poliriboszóma – azaz egy-szerre egy mRNS-ről több fehérjelánc is szintetizálódhat: párhuzamos szintézis.

3.7.3. ábra: A transzláció folyamata

3.7.6. A biológiai információáramlás valósága

Az újabb eredmények figyelembe vételével módosított tétel (3.7.4. ábra) szerint bármely nukleinsav replikálódhat és kódolhat fehérjét, és a nukleinsavak között mindkét irányban lehetséges az információ átvitel. A fordított átírás (RNSDNS) az ún. retrovírusok esetén végbemenő folyamat. Számos vírus működése pedig RNS replikáción alapul.

A DNS által direkt végrehajtott fehérje-transzlációt kísérleti sejtmentes környezetben már demonstrálták. A prionok fehérjéken konformáció-változást okoznak, ami szigorúan nem tekinthető fehérje–fehérje kódolásnak, de felveti a kérdést, hogy lehetséges-e fehérjé-ről induló fordított információáramlás.

3.7.4. ábra: A biológiai információáramlás valósága