A fehérjeszintézis mechanizmusa. A genetikai kód

A nukleinsavak információt hordozó és információt átadó képessége a sejtek fehérjeszintézisében nyilvánul meg. Az információ a fehérjék felépítésére vonatkozik. A fehérjék aminosavsorrendjét végső soron a DNS határozza meg. A DNS-ben tárolt információ bázishármasok formájában jut el a polipeptidlánccá összeálló aminosavakig. A bázishármasok átírását és elszállítását RNS-molekulák végzik.

Transzkripció (átírás): Az információ átírása során a DNS bizonyos szakaszairól mRNS-molekulák képződnek. A DNS-lánc széttekerése, egyik lemásolása, ez az aktív szál. Az RNS-polimeráz delta-faktora felismeri a DNS-en azt a szakaszt, amely adenin-timin-párban gazdag – lánckezdés (iniciáció). Itt erős kötődés jön létre az enzim és a DNS között. A lánckezdés utolsó lépését az első nukleozid-trifoszfát megkötése jelenti, eztán a delta-faktor leválik a magenzimről, amely a láncnövekedést (elongáció) irányítja. A szintézis leállítása a guanin-citozin párban gazdag (nehezen szétcsavarható) szakasznál egy speciális fehérje a ró-faktor hatására következik be. Az mRNS és az RNS-polimeráz leválik a templátról és DNS spirál szerkezete helyreáll. Ez a teljes mRNS-molekula felépüléséig tart. Így az mRNS a fehérjeszintézis helyére tudja vinni a DNS-ről átírt információt. A fehérjeszintézishez szükséges aminosavak (aktivált állapotban) felvételét és szállítását a tRNS-molekulák végzik, de előtte az aminosavak (mindegyiknek más tRNS) aktivált állapotba kerülnek (ATP, enzimek).

Transzláció (fordítás): Az aminosavak összekapcsolása polipeptidlánccá a riboszómákon (fehérje+rRNS) történik. Itt egy kisebb és egy nagyobb rész különböztethető meg rajtuk, amelyek alkalmasak egyidejűleg egy mRNS- és egy fehérjemolekula átmeneti megkötésére. A riboszóma felületén találkozik egymással a fehérje aminosav-sorrendjének információját hozó mRNS, és a magukat az aminosavakat hozó tRNS-molekulák. A riboszóma végighalad az mRNS-en, miközben leolvassa a bázishármasok formájában hozott információkat – megértése következtében mindig a megfelelő bázishármassal rendelkező tRNS kerül a riboszómára. Ott átmenetileg összekapcsolódik az mRNS-sel és átadja a növekvő polinukleotidláncnak az általa szállított aminosavat (peptidkötés), majd leszakad az mRNS-ről és a riboszómáról.

A lánckezdést mindig a metionin indítja. Hozzá kapcsolódnak az aminosavak, mindaddig, míg kialakul a teljes fehérjére jellemző aminosav-sorrend. A fehérjeszintézis végét jelzi a STOP kód. A folyamat befejező lépése a kezdő metionin lehasítása a polipeptidlánc elejéről. Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana.

Az elkészült fehérje-molekula az endoplazmatikus retikulum belsejébe kerül, ahol érési folyamatokon megy keresztül.

A DNS bázissorendje és a fehérjék aminosav-sorrendje között szoros, de nem közvetlen kapcsolat van. A DNS-ben az információ kód formájában található – ennek a kódnak a jelei a bázishármasok, amelyek egy-egy aminosavat fejeznek ki. 64-féle bázishármas jöhet létre (20 aminosavra) – egy aminosavat több bázishármas is kódolhat. Egy indító és három láncvégződést záró bázishármas is van közöttük.

Az aminosav-kódszótár jellemzői: univerzális az élővilágban, leolvasása 5′-3′, átfedés-, kihagyásmentes, degenerált: egy aminosavat több kód is meghatároz, ugyanazon aminosav kódjai többnyire csak a 3. bázisban különböznek (lötyögő bázis).


A DNS örökítő tulajdonságát igazoló kísérletek

Tüdőgyulladást okozó egyik baktérium vastag tokot képez maga körül. A nem kórokozó baktériumnak nincs tokja. A kórokozó baktériumot kísérleti egerekbe oltva az állat 1-2 nap alatt elpusztul. Ha a baktériumot hosszabb ideig magas hőmérsékleten tartják és így oltják be az egereket, akkor az állatok életben maradnak. A nem kórokozó baktériumok nem okoztak semmi változást az egerekben. De ha a hővel elölt kórokozó baktérium és élő nem kórokozó baktériumok keverékével oltották be az állatokat, akkor több is elpusztult. Ezeket megvizsgálva tapasztalták, hogy bennük élő, kórokozó baktériumok voltak. Ez csak úgy lehetséges, hogy a kórokozó baktérium DNS-molekulája, bekerülve az élő, nem kórokozó baktérium sejtjébe átörökítette a tulajdonságait, kórokozóvá tette azt. Tehát a DNS-molekula a kórokozó baktérium felépítésére és működésére vonatkozó biológiai információt átvitte a nem kórokozó baktérium sejtjébe.

A DNS információhordozó tulajdonságát támasztja alá az a jelenség is, hogy a bakteriofágok megfertőzik a baktériumokat. A vírusok közé tartozó bakteriofágok felépítésére a DNS-molekulájuk és az azt körülvevő fehérjeburok a jellemző. Működésük feltétele a baktérium-gazdasejt, amelyben élősködnek. Miután rátapadnak a baktériumok külső falára, DNS-tartalmuk bekerül a baktériumsejtbe, míg a fehérjeburok kívül marad. Olyan vírust állítottak elő, melynek fehérjéje 35-ös kén-, nukleinsava 32-es foszforizotópot tartalmazott, így nyomon lehetett követni jelenlétüket. A baktériumból kiszabaduló új vírusok csak a foszforizotópot tartalmazták – Salvador Luria, Max Delbrück. Alfred Hershey. A bakteriofágok felépítésére vonatkozó összes információt a bakteriofág DNS-molekulája tartalmazza. Ez a DNS bejutva a baktériumsejtbe a bakteriofág fehérjéinek előállítási programját hajtja végre, miközben a baktérium anyagait használja fel. A DNS-molekula tehát az élőlények öröklődő tulajdonságainak információhordozója.


A DNS molekula, szerkezete, főbb jellemzői

A nukleinsavak akár több ezer nukleotid egységekből kondenzációval felépülő polinukleotidok. A szomszédos nukleotid egységek a pentózmolekulák 5. illetve 3. szénatomja közötti foszfátcsoporton keresztül kapcsolódnak össze. A felépítő pentóztól és a nitrogéntartalmú szerves bázisoktól függően két nagy csoportjuk van: DNS és RNS. A nukleinsavak molekuláiban az egyes nukleotidokat csak a N-tartalmú szerves bázisok különböztetik meg egymástól. Ezért a nukleinsavak szerkezetének elsődleges meghatározója a bázissorrend.

A DNS-molekulát alkotó nukleotidok felépítésében négyféle bázis található: adenin, timin, guanin, citozin. Egy DNS-molekula két egymással szemben levő és ellentétes irányba futó polinukleotid-láncból épül fel, ezeket H-kötések kapcsolják össze (A-T 2, G-C 3 H-kötés) – a hidrogénhidak kialakulását a bázisok szerkezete határozza meg. Minden bázispárban egymással szemben egy nagyobb méretű purinbázis és egy kisebb méretű pirimidinbázis helyezkedik el. Ennek következménye, hogy a két lánc párhuzamos egymással, az egyik lánc bázissorrendje egyértelműen meghatározza a másikét. A polinukleotidszál hossztengelye körül spirális formában feltekeredik – kettős hélixszerkezet. A spirál átmérője 2 nm, egy teljes csavarulat hossza 3,4 nm. A DNS szerkezetét James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins fedezte fel.

A DNS a tulajdonságok nemzedékről nemzedékre való átadásáért felelős. Ezeknek kialakítását a fehérjék aminosavsorrendjének információja határozza meg, amit a DNS tartalmaz.


A DNS megkettőződésének folyamata

A DNS-molekula az élőlények öröklődő tulajdonságainak információhordozója. Az információ nemzedékről nemzedékre történő átadása feltételezi, hogy a DNS-molekuláról pontos másolat készül. Ez biztosítja ugyanis a biológiai információ lényegében változatlan megőrzését az utódnemzedékben. A DNS-molekula másolata a DNS-megkettőződés során jön létre. Sok enzim vesz részt ebben a folyamatban.

1, Fellazító enzimek a szuperhélixet széttekerik a H-kötések mentén.

2, A DNS két szálát szétcsavaró fehérjék távolítják el egymástól, a szabad DNS szálak mintaszálként szolgálnak.

3, A DNS-szintézis nem folyamatos, szakaszos, a teljes utódlánc rövid fragmentumok összekapcsolásával jön létre.

4, A replikáció RNS-szintézissel kezdődik, mert a DNS-polimeráz nem képes csupasz templátláncon megindítani a szintézist.

5, Az RNS-polimerázok felismerik a DNS-en a replikáció kezdőpontjait és ribonukleozid-trifoszfátokból a templátlánccal komplementer rövid indító RNS-t (RNS-primer) szintetizálnak.

6, A DNS-polimeráz az indító RNS-hez köti az első dezoxiribonukleotidot foszfátészterkötéssel, majd a szintézist addig folytatja, amíg a következő indítópontig nem ér, így jönnek létre az Okazaki-fragmentumok.

7, Az új nukleotidláncok szintézise 5′-től 3′ irányba történik (antiparallelitás törvénye).

8, A feleslegessé vált indító RNS-eket ribonukleáz enzim távolítja el, az így keletkezett részeket a DNS-polimeráz tölti ki.

9, Az Okazaki-fragmentumokat a DNS-ligáz köti össze – foszfátészterkötés

10, Az utódmolekulák szétválnak és DNS-giráz segítségével szuperspiralizált formába kerülnek.

A folyamat végén a két újonnan keletkezett DNS-molekula egyik nukleotidszála az eredeti DNS-molekulából való, míg az újonnan képződött ennek kiegészítő másolata – a két DNS-molekula teljesen megegyezik. A szintézis a prokarióta baktériumoknál általában egy ponton, az eukarióta sejtekben akár 5-6000 ponton is megindulhat, így mindössze pár percet vesz igénybe. A DNS-molekula nagyon törékeny, mégis több milliószor is megkettőződhet hiba nélkül, mivel különböző javító mechanizmusok (enzimek) gondoskodnak a DNS információtartalmának megőrzéséről. A leggyakoribb hiba a timindimerek kialakulása. A javító enzim a hibás részletet kihasítja, majd ezt a részt a megfelelő építőegységekből újra szintetizálja.


A sejtmag felépítése.

Az eukarióta élőlények jellemző sejtalkotója a sejtmag. Gömb vagy lencse alakú. Általában egy sejtmag, de vannak kettő, illetve több magú sejtek is. A sejtmagot a maghártya választja el a sejtplazmától. A maghártya 2 membrán rétegből áll. A sejtmag többféle makromolekulát tartalmaz, ezek közül a DNS molekulák és a hozzájuk kapcsolódó fehérjék alkotják a kromatin állományt. Ez a sejtosztódás során tömör testekké áll össze. Ez a sejtosztódás során tömör testekké áll össze ez a kromoszóma. A pórusokon történik a fehérjék és nuklein savak anyagforgalma. A magvacskában szintetizálódnak az RNS molekulák.


Mi a sejt ciklus lényege, hogyan megy végbe a mitózis?

A sejt kromoszómáinak DNS molekulái tárolják azt az információt, ami a sejt fehérjéinek felépítéséhez kell. A DNS megkettőződése és a sejt osztódásának folyamata teszi lehetővé, hogy ez az információ tovább kerüljön az utódsejtekbe. Az osztódó sejteknek azt a körfolyamatát, amely a sejtek DNS szintézis előtti állapotából kiindulva, a DNS szintézisén és a sejtosztódáson keresztül visszatér a kiindulási szakaszba, sejtciklusnak nevezzük. Nyugalmi szakasz: megindul az RNS szintézise és néhány enzimfehérje szintézise. DNS megkettőződésének szakasza: ez a sejtciklus teljes időtartamának kb. felét, jelenti. Ekkor szintetizálódnak a DNS-hez tartozó fehérjék is. Ezután egy rövid szakaszban újabb m. RNS képződése és fehérjeszintézis. Utána a sejtosztódás szakasza, 1-2 óra alatt lezajlik. Kétfelé válnak a kromoszómák, kétfelé osztódik a sejt, a keletkezett két utódsejt nyugalmi szakaszba kerül. Ha a sejtosztódás során olyan utódsejtek keletkeznek, amelyekben ugyanannyi a kromoszómák száma, mint a kiindulási sejtben volt, akkor mitózisról beszélünk. A mitózis a sejtciklus befejező szakasza, kromoszómákká alakul. Maghártya felbomlik, húzófonalak képződnek.


Ismertesse a DNS, RNS szintézisét!

A nukleinsavak információt hordozó és átadó képessége a sejtek fehérjeszintézisében nyilvánul meg. Az információ a fehérjék, felépítésére vonatkozik. A DNS-ben tárolt információ bázishármasok formájában jut el az aminosavakig. A bázishármasok átírását az RNS molekulák végzik. A DNS molekula képes a megkettőződésre, ezzel az információ megsokszorozódására és az információ átadására is az egyik nukleotid szála mentén képződő m. RNS molekula számára. A felépülő m. RNS szállítja az átírt információt a sejtben lévő riboszómákra, amelyekben a polipeptid lánc kialakulása történik. A szükséges aminosavak felvételét és szállítását a szintézis helyére a t. RNS molekulák végzik. A m. RNS és t. RNS molekulák a riboszóma felületén találkoznak egymással. Az m. RNS bázishármasait kiegészítő t. RNS-ek átadják a hozott aminosavat a növekvő polipeptid láncnak, majd leválnak a riboszómáról. Az aminosavak összekapcsolódásának sorrendjét tehát a t. RNS molekulái fordítják le az m. RNS bázishármasairól. A DNS bázissorrendje és a felépülő fehérje aminosav sorrendje között a biológiai kód.


Ismertesse a DNS felépítését, biológiai jelentőségét!

A DNS molekulát alkotó nukleotidok felépítésében 4-féle bázis található. Adenin, Tinin, Guanin, Citozin. Egy DNS molekula két egymással szemben levő és ellentétes irányban futó polinukleotid láncból épül fel, hidrogénkötések kapcsolják. Meghatározott módon kapcsolódhatnak. Adenin-Timin, 2 hidrogénkötést, Citozin-Guanin 3 hidrogénkötést. Spirális forma, kettős hélix szerkezet. Minden bázispárban egymással szemben egy nagyobb méretű purin és egy kisebb méretű pirimidin bázis van.


Kapcsolt öröklésmenet, rekombináció, mutációk

Számos tulajdonságnál megfigyelték, hogy mindig együttesen, kapcsoltan öröklődnek. Az együtt öröklődő tulajdonságok a kromoszómák olyan meghatározott szakaszaival hozhatók kapcsolatba, amelyek közeli szomszédságba vannak egymással. Így az élőlényekben a függetlenül öröklődő tulajdonságok mellett, bizonyos jellegek együttes öröklődése is tapasztalható, amelyekért a kapcsolt gének a felelősek. A kapcsolt öröklődés során a szülői tulajdonságok mellett, ha ritkán is, de új kombinációk is megjelennek. Ennek alapvető oka a meózisban keresendő. A meózisos osztódás során a homológ kromoszómák egy-egy kromatidja átkereszteződve, bizonyos szakaszaikat kicserélik egymással. Ennek következtében a kromoszómapár adott szakaszán génkicserélődés, vagy másnéven rekombináció jön létre. Ez és a kromoszómák véletlenszerű elosztása az oka az utódok nagyszámú kombinációs lehetőségének.

A genetikai változékonyság másik fő oka a mutáció. Ez a folyamat az örökítő anyagnak a megváltozását idézi elő, és a létrejött változás öröklődik. A génekben történő molekuláris változások a DNS szerkezetében a génmutációk körébe tartoznak. A mutáció együtt járhat a kromoszómák megváltozásával is. A kromoszómák eltörése együtt járhat egyes darabok elvesztésével is, fordítva történő újra egyesülésével, egyes szakaszok megduplázódhatnak, mindezeket közösen kromoszómamutációnak nevezzük.