A GENETIKAI INFORMÁCIÓ TÁROLÁSA ÉS KIFEJEZŐDÉSE

1. A GENETIKAI INFORMÁCIÓ TÁROLÁSA ÉS 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

2. A DNS ELSŐDLEGES SZERKEZETE • N-tartalmú szerves bázis (A, T, C, G) Kémiai szerkezetük alapján megkülönböztetünk purin- és 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

3. PROKARIÓTA 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 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

4. A KROMOSZÓMA SZERVEZŐDÉSE

5. A DNS REPLIKÁCIÓJA 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 DNS replikáció az S fázisban történik

6. SZEMIKONZERVATÍV REPLIKÁCIÓ Az új DNS molekula egyik lánca a mintául szolgáló és teljes egészében megőrződött szülői lánc, csak a másik lánc szintetizálódott újonnan.

7. A REPLIKÁCIÓ MECHANIZMUSA A DNS szemikonzervatívreplikációjának lényege az, hogy a kettős spirál két lánca egymástól szétválik, és külön-külön 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.

8. A mintául szolgáló DNS-lánccal komplementer, új DNS-lánc szintézisét a DNS-polimeráz enzimek végzik. A folyamat meghatározott helyről indul, az ún. replikációsorigóból. 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.

9. A replikációs villa a DNS szintézis helye. A DNS szintézisenzimaktivitás eredménye. A szintézishez DNS polimeráz enzim, nukleotid trifosztfátok (dATP, dGTP, dCTP, dTTP), egyszálú templát DNS valamint kezdő vagy primer nukleinsav darab szükséges. dATP dGTP dCTP dTTP DNS polimeráz PRIMER DNS + ÚJ DNS

10. 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. VEZETŐSZÁL KÖVETŐSZÁL Ligáz enzim Animáció

11. A FEHÉRJÉK BIOSZINTÉZISÉNEK FOLYAMATAI A DNS-től a fehérjéig: miként olvassák a sejtek a genomot? • A génexpresszió vagy kifejeződés 2 lépésben valósul meg: • TRANSZKRIPCIÓ - átírás • TRANSZLÁCIÓ - fordítás Az információáramlás iránya - CENTRÁLIS DOGMA: TRANSZKRIPCIÓ TRANSZLÁCIÓ RNS FEHÉRJE DNS TRANSZKRIPCIÓ A DNS alapú genetikai információ ugyan egy másik molekulába (RNS) íródik át, azonban a nyelvezet – a nukleotidák nyelve -, továbbra is közös marad.

12. 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 polimerázAz 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 stopszignálok jelzik az RNS polimerázoknak, hogy hol kezdjék és fejezzék be a transzkripciót. Animáció

13. A bioszintézis 3 fő szakaszra osztható: • Iniciáció – a folyamat elindítása – σ-faktor • Elongáció – lánchosszabítás • Termináció – a folyamat befejezése

14. ELTÉRÉSEK A PROKARIÓTÁK ÉS AZ EUKARIÓTÁK ÁTÍRÓ RENDSZERÉBEN Animáció

15. Az mRNS érése (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 Speciális nukleotida szekvenciák jelzik az exon – intron határokat.

16. 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.

17. A mRNS-ben tárolt genetikai információ leforditása a nukleotidák nyelvéről az aminosavak nyelvére. Transzláció A mRNS-ben lévő START és STOP kodonok jelzik a RIBOSZÓMÁNAK, hogy hol kezdje és fejezze be a transzlációt.

18. 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). Startkodon: AUG (Metionin) Stopkodonok: UGA, UAG, UAA

19. A kódszótár Az olvasási keret a START kodontól A STOP kodonig tart 60 kodon oszlik meg 19 aminosav között Egy aminosavat egynél több kodon is meghatározhat, egy kodon azonban mindig csak egy aminosavnak felel meg. A genetikai kód néhány kivételtől eltekintve univerzális!

20. A tRNS Adapter szerepét látja el. 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 Térbeli szerkezete „L” alakú a hidrogénhidak által kialakított szerkezet miatt Animáció

21. A tRNS Dihidrouracil tartalmú nukleotid Timidin-Pszeudouridin-Citidin szekv. 5’ oldalon egy pirimidint tartalmazó nukleotid Nagysága változatos (variábilis) Az antikodon hurokban az ANTIKODONT 3 bázis alkotja 3’ oldalon egy módosított purint tartalmazó nukleotid

22. Kodon-Antikodon lötyögés Azonos aminosavat jelző különböző kodonokat (ha azok csak a 3. betűjükben különböznek egymástól), gyakran ugyanaz a tRNS molekula ismeri fel. A kodon-antikodon kapcsolatban 3 bázispár alakul ki, a komplementer-antiparalel nukleotidok kapcsolata nem olyan szigorú mint a DNS-ben. A kodon 3. helyen lévő bázisa és az antikodon 1. helyen lévő bázisa között jön létre a kodon-antikodonkapcsolat

23. Kautikus redukció Az aminosavat szállító tRNS felismerését, maga az aminosav nem befolyásolja Kísérleti úton a ciszteint katalitikus hidrogénezéssel redukálták. A cisztein SH- oldalláncát metilcsoporttá, így a ciszteint alaninná alakították A alanin beépült oda, ahová az alaninnak kellett volna.

24. Aminoacil-tRNS szintetázok Savanhidrid kötés A tRNS molekula és a az aminosav közötti kapcsolat kialakításáért felelősek. Aminosav aktiválása Pirofoszfát hasad le Aminoacil-AMP képződik A sejt legnagyobb specifitású enzimei közé tartoznak. AMP hasad le Aktivált aminosav átvitele a specifikus tRNS-re

25. Riboszómák Egy kisebb és egy nagyobb részegységből álló ribonukleoprotein részecskék

26. Riboszómák A transzlációban éppen részt nem vevő inaktív riboszómák disszociált állapotban vannak. A polipeptidlánc szintézisének iniciációjakor a két alegység egyesül,a szintézis végén pedig ismét szétválik (ismétlődő riboszómaciklus).

27. Riboszómák Policisztronos, azaz több polipeptidlánc szerkezetére vonatkozó információt hordoz. Az információ az AUG kodonnal kezdődik A STOP kodont követi a következő polipeptid START kodonja (AUG) Prokarióta mRNS Az AUG előtt egy nem kódoló szakasz van, a riboszómához kötődést segíti Az első polipeptidet kódoló szakasz a STOP kodonnal fejeződik be

28. Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa(Iniciáció) Az AUG kodonhoz az iniciátor-tRNS antikodonja kapcsolódik Az mRNS a riboszóma kis alegységéhez kötődik A kezdő metionin formileződik, ezt szállítja az iniciátor tRNS (tRNSfmet) Iniciációs komplex (30S) GTP + iniciációs faktorok (IF1, IF2, IF3) szükségesek a kialakulásához 50S alegység Animáció

29. Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa(Elongáció) EF-TU EF-Ts

30. Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa(Elongáció) A második aminosav aminocsoportja peptidkötést alkot a formil metionin karboxilcsoportjával A folyamatot az 50S alegység peptidil transzferáz enzime katalizálja Animáció

31. Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa(Elongáció-Transzlokáció) 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 Az A helyen megjelenik a lánc 3. tagját meghatározó kodon A folyamat GTP-t igényel, amiben a EF-G (transzlokáz), segédkezik

32. Polipeptidlánc szintézisének mechanizmusa(Termináció) Az A helyen megjelenik valamelyik a STOP kodonok közül Újabb tRNS molekulák helyett terminációs faktorok kötődnek (RF1, RF2) A polipeptid-transzferáz lehasítja a polipeptid láncot az utolsó tRNS-ről (P hely) Animáció A riboszóma alegységeire esik

33. Poliszóma Miután az első riboszóma elhagyta az mRNS leolvasása közben az első kb. 80 nukleotidnyi szakaszt, újabb riboszóma kezdi el a szintézist a láncon. Annyi amennyi elfér a láncon. A poliszómaszerkezet stabilizálja a láncot. Animáció

34. Fehérjeszintézis a mitokondriumban Osztódással szaporodik Önálló genetikai rendszerrel rendelkezik (cirkuláris DNS) 2 rRNS gén 13 fehérje gén 22 tRNS gén Nem tökéletesen érvényes a genetikai kód univerzálissága 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