A dezoxiribonukleinsav vagy DNS olyan molekula, amely szinte minden élő szervezetben a genetikai információ hordozója. Ez tartalmazza a biológiai utasításokat a szervezetek fejlődéséhez, túléléséhez és szaporodásához.A DNS a sejtmagban található, ahol több fehérje, az úgynevezett hisztonok segítségével kromoszómának nevezett tömör formába csomagolódik. A mitokondriumoknak nevezett sejtstruktúrákban is megtalálható. A prokarióták esetében azonban a DNS nincs magba vagy membránba zárva, hanem a citoplazmában van jelen. A prokarióták DNS-e általában körkörös és szupertekercses, hisztonok nélkül. A DNS a genetikai információt nukleotidok szekvenciájaként tárolja a géneknek nevezett speciális régiókban, amelyeket fehérjék előállítására használnak. A genetikai információ fehérjékké történő kifejeződése egy kétlépcsős folyamat, amelynek során a DNS-ben lévő nukleotidok szekvenciája egy ribonukleinsavnak vagy RNS-nek nevezett molekulává alakul át az átírásnak nevezett folyamat révén. Az RNS-t egy másik, transzlációnak nevezett folyamat során fehérjék előállítására használják fel. Az emberi genom közel 3 – 109 bázist tartalmaz, mintegy 20 000 génnel 23 kromoszómán.

A DNS-t először Frederich Miescher német biokémikus fedezte fel 1869-ben. Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins és Rosalind Franklin munkái alapján 1953-ban fedezték fel a DNS szerkezetét. A DNS szerkezete a következő : két komplementer, ellentétes irányban futó polinukleotidszál, amelyeket hidrogénkötések tartanak össze. Ez a szerkezet segíti a DNS replikációját a sejtosztódás során, és azt is, hogy az átírás során egyetlen szál szolgáljon sablonként.

• 1 A DNS-molekula jellemzői
  • 1.1 Kettős hélix
  • 1.2 Komplementer bázisok
  • 1.3 DNS denaturáció és renaturáció
  • 1.4 Barázdák
• 2 Biológiai funkciók
  • 2.1 Replikáció
  • 2.2 Transzkripció és transzláció
• 3 A DNS formái
• 4 A DNS szerkezetének története
• 5 DNS modellek

A DNS molekula jellemzői

A kettős hélix

két polinukleotid láncból áll, . A DNS-ben egy kötődik az 5′-hez, amely egy béta-glikozidos kötéssel kapcsolódik egy purinhoz vagy egy pirimidinhez . A ribóz a fő meghatározója annak, hogy a DNS melyik formája van jelen. Ezen a jeleneten, amely a B DNS-t ábrázolja, a 2′ szén az öttagú gyűrű többi tagjának síkján kívül van. A , a 3′ szén a ribózgyűrű síkján kívül van.A bázisok négy típusa a két kettős gyűrűs purin bázis és és a két egygyűrűs pirimidin bázis és . egyes nitrogén- és oxigénatomok hidrogénatomjai tautomer eltolódáson mehetnek keresztül. A tautomer kialakításában részt vevő nitrogénatomok amino- vagy iminocsoportok formájában jelennek meg, az oxigénatomok pedig vagy keto- vagy enol formában. Egy izolált timin segítségével illusztráljuk a és a . Az amino- és keto-formák előnyben részesülnek, ami nagyon fontos a DNS biológiai működése szempontjából, mivel ez biztosítja a dezoxiribózzal a hidrogénkötés sajátosságát a bázispárosodásban, és így a láncok komplementaritását. Az imino nitrogén csak donor atomként szolgálhat a hidrogénkötésben, de az amino nitrogén befogadó atomként is szolgálhat. A DNS-lánc minden egyes nukleotidja egy másikhoz kapcsolódik a . A DNS-ben négy nukleotid található. A DNS cukor-foszfát gerince a foszfodiészterkötésnek köszönhetően nagyon szabályos, míg a bázisok sorrendje igen szabálytalan.

A C G T

Purinok Pirimidinek

Komplementer bázisok

A DNS két láncát meghatározott bázisok közötti hidrogénkötések kötik össze. Az adenin a timinnel, a guanin a citozinnal alkot bázispárokat. Ezt a specifikus bázispárosodást az és között Watson-Crick bázispárosodásnak nevezzük. A bázisok közötti hidrogénkötés sajátossága a két láncban lévő nukleotidok sorrendjének komplementaritását eredményezi. Így egy DNS-szálban az adenintartalom megegyezik a timintartalommal, a guanintartalom pedig a citozintartalommal. Általában a magasabb GC-tartalmú DNS stabilabb, mint a magasabb AT-tartalmú, a bázisok egymásra épülő kölcsönhatásai miatti stabilizációnak köszönhetően.

DNS denaturáció és renaturáció

A DNS kettős szál a köztük lévő hidrogénkötések felbontásával két egyszálú szálra bontható. Ezt nevezzük DNS denaturációnak. A DNS megolvasztására vagy denaturálására a fűtéssel biztosított hőenergia használható. A gazdag GC-tartalmú molekulák stabilabbak, ezért magasabb hőmérsékleten denaturálódnak, mint a magasabb AT-tartalmúak. Az olvadási hőmérsékletet úgy határozzuk meg, mint azt a hőmérsékletet, amelyen a DNS-szálak fele kettős spirális állapotban, fele pedig véletlenszerű tekercses állapotban van. A denaturált egyszálú DNS-szálak képesek renaturálódni és újra kétszálú DNS-t alkotni.

Barázdák

Az egymással párosított, de ferdén elhelyezkedő bázisok. Ez egyenlőtlen távolságban lévő cukor-foszfát gerinceket eredményez, és két barázda keletkezik: a és a különböző szélességű és mélységű. Az a a kis barázda felszínén, a nagy barázda pedig az ellenkező oldalon található. A major barázda padlóját vagy felszínét a tölti ki. A major barázda nagyobb mérete lehetővé teszi a DNS-specifikus fehérjék kötődését.

Biológiai funkciók

Források:

Replikáció

A DNS az úgynevezett félkonzervatív replikációs módot alkalmazza, amelynek során a leány DNS a szülő DNS-szálának egyikét tartalmazza. A replikáció a kettős spirál kitekerésével zajlik, amelyet szintézis primerek követnek, ahonnan a replikáció megkezdődik. A DNS-polimeráz enzim minden szülői szálhoz komplementer szálakat szintetizál 5′-3′ irányból.

Transzkripció és transzláció

A gének fehérjékké történő kifejeződése és két szakaszból álló folyamat, az úgynevezett transzkripció és transzláció. Az átírás szakaszában a DNS-molekula egy szála sablonként szolgál a messenger RNS-nek nevezett RNS-molekula szintéziséhez. Ezt a hírvivő RNS-t ezután a riboszómák fehérjékké fordítják.

A DNS formái

A DNS különböző formáinak összehasonlítását lásd: A DNS formái.

A DNS szerkezetének története

Az alábbi összefoglalót engedélyével a Makromolekulák atlaszából másoltuk:

A génekről 1944-ben mutatták ki, hogy a DNS-ben találhatóak (Avery és mtsai.), és ez Hershey és Chase 1952-es kísérletei után vált széles körben elfogadottá. A DNS kettős spirális szerkezetét James Watson és Francis Crick 1953-ban jósolta meg (Nobel-díj, 1962). Előrejelzésük részben Rosalind Franklin röntgendiffrakciós vizsgálatain alapult, amelyet Watson és Maurice Wilkins nem kellően méltányolt. A megjósolt B-alakú kettős spirált csak 1973-ban erősítették meg atomi felbontású kristályszerkezetekkel, először RNS-dinukleotidok felhasználásával (Rosenberg et al.). Az első olyan kristályszerkezetet, amely a kettős spirál több mint egy teljes fordulatát tartalmazta, csak 1980-ban oldották meg (1bna, 1981, 12 bázispár). A jóslat és az empirikus megerősítés közötti több mint negyedszázados késés a makromolekulák röntgenkrisztallográfiájának fejlődésével, valamint azzal függött össze, hogy a kristályosításhoz rövid, meghatározott DNS-szekvenciát kellett előállítani. Ez a rövid beszámoló Berman, Gelbin és Westbrook áttekintésén alapul, ahol a hivatkozások megtalálhatók.

DNS-modellek

A jelen cikkben szereplő jelenetekben használt DNS-modell egy elméleti modell (Image:B-DNA.pdb), amely nem érhető el a Protein Data Bankban. A PDB fájl nem követ bizonyos PDB formátum konvenciókat:

• A bázisok jelölése ADE, CYT, GUA és THY a szabványos DA, DC, DG és DT helyett.
• A láncok nincsenek megnevezve. Jellemzően A és B nevet kapnának.

Az egyik lánc 1-12 számozott maradékokat tartalmaz a CGCG AATT CGCG szekvenciában. A másik lánc 13-24 számozott maradékokat tartalmaz, azonos (antiparalel) szekvenciával.

Az elméleti modellek általában idealizált DNS-konformációt ábrázolnak, míg a valós DNS különböző szabálytalanságokat tartalmazhat, beleértve a csomókat és a hajlításokat (lásd a Lac represszorhoz kötött példákat). A DNS-re rengeteg empirikus modell létezik, az elsők az 1970-es és 80-as években váltak elérhetővé (lásd fentebb). A Protein Data Bank 2012 májusában közel 4000 DNS-t tartalmazó bejegyzést tartalmaz. Több mint 1300 csak DNS-t tartalmaz, míg több mint 2000 fehérje-DNS komplexeket. Több mint 100 bejegyzés tartalmaz fehérjét, DNS-t és RNS-t, és több mint 100 bejegyzés tartalmaz DNS/RNS hibrid molekulákat.

A DNS további interaktív vizualizációiért lásd a DNA.MolviZ.Org oldalt, amely kilenc nyelven érhető el.