1.2. Biológiai alapok

Ebben a részben a kémiai bevezetést biokémiai irányban folytatva, a nukleinsavakat mutatjuk be. Ezek az élet építőköveinek tekinthető molekulák. A ribonukleinsavak és a dezoxiribonukleinsavak, röviden az RNS és DNS molekulák az élő szervezetekben, sejtekben és vírusokban is megtalálhatóak.

Valójában a DNS molekulák a természetben adottak, és komoly tudományos munkára volt szükség, ahhoz, hogy szerkezetüket felépítésüket megfejtsük. Ezzel ellentétes irányban haladva, azt mutatjuk meg, hogyan építhetőek fel ezek a molekulák atomjaikból. A fejezet további részében tehát az RNS és a DNS szerkezetét, kémiai felépítését fogjuk leírni. A nukleinsavak nukleotid egységekből álló polimerek, vagyis a nukleotidokból épülnek fel. A következő alfejezetben ezeket vesszük sorra.

1.2.1. A nukleotidok felépítése

A nukleotidok olyan szerves molekulák, amelyek bázisa szén- és nitrogénatomok alkotta gyűrűket tartalmaz. A nukleotidok felépítésében ötféle atom vesz részt: ezek a hidrogén, amely egy vegyértékű; az oxigén, amely két vegyértékű; a nitrogén, amely három vegyértékű; a szén, amely négy vegyértékű; és a foszfor, amely öt vegyértékű. Ez azt jelenti, hogy mindegyik építőelem más-más számú kovalens kötés létesítésére képes.

Mindegyik nukleotidban foszfátcsoport, cukor és egy purin vagy pirimidin bázis (lapos, gyűrű alakú, szént és nitrogént tartalmazó molekula) van. A nukleinsavaknak, a bennük szereplő cukor alapján, két fajtáját különböztetjük meg, a ribonukleinsavakat és a dezoxiribonukleinsavakat. Mindkét cukor ötszénatomos (pentóz), és ahogy a neveik közti különbség is jelzi, a dezoxiribózban a ribóz második szénatomján levő OH csoportja helyett egy H kötődik (lásd pl. az 1.14. és az 1.17. ábrákat, az előbbiben dezoxiribóz, az utóbbiban ribóz szerepel). A ribonukleinsav rövidítése az RNS, ebben, ahogy a neve is mutatja, ribóz a cukor. Ezzel szemben a DNS a dezoxiribonukleinsav rövidítése, és ennek megfelelően dezoxiribóz a cukor része az őt felépítő nukleotidoknak. A DNS-ben a nukleotidok csak a bázisaikban különböznek egymástól. Hasonlóan, az RNS-ben is csak a bázisuk különbözik a nukleotidoknak. Amikor sok nukleotid összekapcsolódik, polinukleotid keletkezik.

A DNS-ek felépítésében négy nukleotid vesz részt: ezek

  • az adenin, aminek bázisát az 1.13. ábra mutatja,

  • a citozin, aminek szerkezeti képlete az 1.14. ábrán látható,

  • a guanin, amit az 1.15. ábra mutat, illetve

  • a timin, mely az 1.16. ábrán látható.

1.13. ábra - Az adenin bázisának szerkezeti felépítése.

Az adenin bázisának szerkezeti felépítése.

1.14. ábra - A citozin szerkezeti képlete: bázisa, a cukor (dezoxiribóz, pentóz) és a foszfátcsoport.

A citozin szerkezeti képlete: bázisa, a cukor (dezoxiribóz, pentóz) és a foszfátcsoport.

1.15. ábra - A guanin molekula szerkezete.

A guanin molekula szerkezete.

1.16. ábra - A timin molekula felépítése, a cukor szénatomjainak megjelölésével.

A timin molekula felépítése, a cukor szénatomjainak megjelölésével.

A négyféle nukleotid csak a bázisukban különbözik egymástól, ezen bázisok gyűrűit szén- és nitrogénatomok alkotják (heterociklusos bázisok, vagyis a gyűrűkben szén- és nitrogénatomok is szerepelnek). Láthatjuk, hogy az adenin és a guanin purin (a hatszög és ötszög alapú váz egy közös éllel) alapúak, míg a citozin és a timin pirimidin vázas (hatszög alapú). Ahogy az egyes ábrákon is megfigyelhetjük, minden bázishoz ugyanúgy kapcsolódik a cukormolekula (pentóz) és rajta keresztül a foszfát-csoport. Szokás a cukor szénatomjait a bázistól kezdődően számozni, ahogy az 1.16. ábrán is tettük. Általában a pentóz szénatomjaira 1', 2' stb. alakban hivatkozunk (a vessző nélküli számozást a bázis atomjaira szokás fenntartani), így az oxigén az 1' és 4' szénatomot kapcsolja össze, a foszfát-csoport pedig az 5' szénatomhoz kapcsolódik.

Az RNS-ek felépítésében is négy nukleotid vesz részt, ezek pedig a bázisaik alapján,

  • az adenin,

  • a citozin,

  • a guanin és

  • az uracil (1.17. ábra).

Láthatjuk, hogy három nukleotid bázisa közös, míg az RNS felépítésében a timin helyett az uracil vesz részt (összevetve a DNS felépítésével). A nukleotidokra a kezdőbetűjükkel fogunk (röviden) hivatkozni: így pl. A jelöli az adenint, G a guanint, U az uracilt (és mivel többnyire inkább csak a DNS-sel fogunk foglalkozni, maga a cukor típusa a molekulában nem fog minket érdekelni, egyébként ahogy pl. az 1.17. ábrán megfigyelhető, a 2' szénatomnál van csak különbség a kétféle cukor közt).

1.17. ábra - Az uracil molekula.

Az uracil molekula.

Tehát mind az RNS és a DNS molekula minden nukleotidja egy bázisból, egy pentóz cukor (ribóz vagy dezoxiribóz) molekulából és egy foszfát-csoportból áll. Az 1.18. ábrán azt mutatjuk be, hogy a nukleotidok vizes közegben savként viselkednek, vagyis ahogy az RNS és a DNS nevében is szerepel, savas kémhatású lesz az oldatuk: általában a két jelölt oxigénatom egyike, vagy mindegyike negatív töltésű lesz a foszfát-csoportban, ahogy a molekula H+ iont ad át a víznek (a vízben így a savas kémhatásért felelős H3O+ oxóniumionok keletkeznek). Az ábrán a bázis rész nincs külön részletezve, a bázis rész helyén a korábbi nukleotid ábrák (1.13., 1.14., 1.15., 1.16. vagy akár a 1.17. ábra) bármelyikén bemutatott molekula (bázisa) lehet, illetve a cukor rész is annak megfelelően változhat, ha RNS molekuláról van szó.

1.18. ábra - Egy nukleotid ionos formában: a cukor és a foszfát csoport szerkezete, kapcsolódása vizes oldatban.

Egy nukleotid ionos formában: a cukor és a foszfát csoport szerkezete, kapcsolódása vizes oldatban.

A továbbiakban inkább a DNS molekulára koncentrálunk. Az RNS és DNS közt a különbség az, hogy a timin bázis helyett uracil bázis szerepel az RNS-ben, illetve a dezoxiribóz helyett ribóz a cukor, egyébként analóg a z RNS leírása a DNS leírásával.

1.2.2. Az egyszálú DNS

Az 1940-es évek végén már valószínűsíthető volt, hogy a DNS olyan rendszeresen ismétlődő szerkezeti egységekből áll, amelyekben a bázisok ismétlődnek egy lánc mentén. Az is ismert volt, hogy rengetegféle DNS molekula létezhet. Ma már tudjuk, hogy mindegyik DNS sajátos bázissorrenddel jellemezhető. A DNS a változatos bázissorrendjében hordozza azt a hatalmas (genetikai) információmennyiséget, ami az élővilágban található fehérjék igen sok lehetséges aminosavsorrendjének tárolásához szükséges. Az 1950-es évek elején a Cambridge-i Egyetem Kémiai Laboratóriumában dolgozó kutatócsoport meghatározta a nukleotidokat összekapcsoló pontos foszfodiészter-kötéseket. Az eredmény meglepően egyszerű volt. Ezek a kötések mindig ugyanolyanok voltak: a foszfátcsoport a dezoxiribóz, a cukor, 5' szénatomját köti a következő nukleotid cukrának 3' szénatomjához (kovalens kötéssel) (1. animáció). Látható, hogy a kötés létrejöttekor a nukleotidok kapcsolódó részén egy vízmolekula is keletkezik.

1. animáció - Három nukleotid egyesül egy molekulává foszfodiészter-kötésekkel (vízkilépéssel)

A cukor és a foszfátcsoportok közötti foszfodiészter-kötések képezik a DNS gerincét.

Az egyszálú DNS-ben tehát a nukleotidok összekapcsolódnak egymással, mégpedig az animáción látható módon: egy molekula cukrának 5' szénatomja kovalens kötéssel kapcsolódik a foszfátcsoporton keresztül az előző molekula cukrának 3' szénatomjához, amíg annak 5' szénatomja szintén kovalens kötéssel, ugyanígy a következő molekulához és így tovább. Amikor a nukleotidok összekapcsolódnak ily módon minden egyes 3' szénatomnál egy-egy vízmolekula (H2O) keletkezik. A DNS molekulák tehát szigorúan lineáris polinukleotid láncok (a fehérjék ehhez hasonlóan polipeptidláncok). Az egyszálú DNS molekula egyik végén a cukor 3', a másik végén az 5' szénatomon levő foszfátcsoport képes további kapcsolat kialakítására, ezért a DNS molekulák irányítottak, mindig fontos, hogy melyik a lánc 3', illetve melyik a lánc 5' (szabad) vége. Egy egyszálú DNS lánc tehát, mivel szerkezete lineáris láncnak tekinthető, a bázisok egyszerű felsorolásával írható fel. Viszont egy láncnak két vége van, és ennek megfelelően kétféleképpen is felírhatjuk, olvashatjuk ezeket a molekulákat: az 5' iránytól a 3' irányban, vagy fordítva. Ezért, az egyértelmű leíráshoz, mindig meg kell adni az olvasási irányt. Ha az 5' véget kijelöljük a lánc elejének (és tarjuk magunkat ehhez a konvencióhoz), akkor egy DNS lánc nem más mint egy sztring a nukleotidok négyelemű ábécéje felett, ehhez hasonlóan az RNS is sztringnek tekinthető, csak másik négy elemű ábécé betűiből. Ha nem adunk meg mást akkor az 5'-től 3' végig irány lesz az alapértelmezés e könyvben.

Egy vonatkozásban a DNS és az RNS nagyon szabályos: ismétlődő cukor-(dezoxiribóz-)foszfát csoportokat tartalmaz, amelyek mindig pontosan ugyanazzal a kémiai kötéssel kapcsolódnak. Ezek az azonos, ismétlődő csoportok alkotják a molekula gerincét. Másrészt az RNS/DNS négy különböző bázisa változatos sorrendben kapcsolódhat ehhez a gerinc mentén, és ez a variabilitás adja a molekulák nagyfokú egyediségét.

Szokás ezeket a láncokat egyszerűbb sematikus formában is ábrázolni, ahogy az 1.19. és 1.20. ábrák is mutatják. A cukor szénatomjait számozásuk szerint jelöljük, a foszfátcsoportot a foszfor vegyjelével rövidítjük, a bázisnak pedig csak a kezdőbetűjét adjuk meg. Az 1.19. ábrának az 5' ACGTAACG 3' (vagy a konvenciót tartva egyszerűen ACGTAACG) sztring, amíg az 1.20. ábrának az ACUUGAU sztring felel meg.

1.19. ábra - Egy DNS lánc sematikus rajza.

Egy DNS lánc sematikus rajza.

1.20. ábra - Egy RNS lánc sematikus rajza (a cukrok 2' szénatomján jelölt OH is jelzi, hogy RNS-ről van szó).

Egy RNS lánc sematikus rajza (a cukrok 2' szénatomján jelölt OH is jelzi, hogy RNS-ről van szó).

A természetben viszont a DNS általában nem egyszálú molekula alakjában található meg.

1.2.3. A kétszálú DNS: Watson-Crick komplementaritás és kettős spirál

1951-re már nemcsak az volt ismeretes, hogy a négy bázis nem egyenlő mennyiségben van jelen, hanem nyilvánvaló volt az is, hogy mennyiségük különböző DNS molekulákban igen változó. Azt is észrevették, hogy a négy bázis mennyisége nem egymástól függetlenül változik. Kromatográfiás elválasztási módszereket alkalmazva vizsgálták a purin és pirimidin bázisainak mennyiségét, és azt tapasztalták, hogy minden egyes DNS molekulában ugyanannyi purin és ugyanannyi pirimidin vázú bázisú nukleotid van. E. Chargaff vizsgálatai szerint minden egyes vizsgált fajban az adenin (ez purin vázas) mennyisége megegyezik a timin (ez pirimidin vázas). Hasonlóképpen, a másik purin vázú nukleotid, a guanin mennyisége mindig azonos volt a másik pirimidin vázú nukleotid, a citozin mennyiségével. Központi kérdés volt a molekula 3 dimenziós szerkezete is, melyet röntgen-diffrakciós eljárással próbáltak meghatározni először 1938-ban. A vizsgálatok megmutatták, hogy a DNS cukor-foszfát gerince spirális konfigurációt mutat, illetve a spirál átmérőjének a méréséből kiderült, hogy az túl nagy volt egy olyan molekulához, amely csak egy láncból áll. James D. Watson és Francis H. C. Crick 1953-ban egyoldalas Nature cikkükben bizonyították a DNS kettős spirál felépítését, és ezért a felfedezésükért 1962-ben Nobel-díjban részesültek. A DNS tehát két, összetekeredett láncból áll (1.21. ábra) ellenkező irányú szállefutással.

1.21. ábra - A DNS molekula kettős spirál alakú, a két szálat a bázisok közti hidrogénkötések tartják össze.

A DNS molekula kettős spirál alakú, a két szálat a bázisok közti hidrogénkötések tartják össze.

A kétszálú DNS-láncok felépítésében alapvető szerepet játszik a Watson-Crick komplementaritás. Watson és Crick ismerték a nukleotidok számának egyezéséről szóló eredményeket, de sokáig nem vették figyelembe őket, nem gondolták, a DNS szerkezetének szempontjából fontosak. A bázismodelleket kartonból kivágva Watson elkezdte tologatni őket. Ekkor hirtelen rádöbbent, hogy az adenin-timin pár, amelyet két hidrogénkötés tart össze, azonos formájú a legalább két hidrogénkötéssel összetartott guanin-citozin párral. Ekkor jutottak eszébe a mérési eredmények; és így már adta magát a DNS molekuláris szerkezete: a cukor-foszfát-gerinc a molekula külső részén van, a purin és a pirimidin bázisok pedig belül; olyan módon, hogy az ellenkező oldalon lévő bázissal hidrogénhidat alakíthassanak ki. Ugyanolyan fontos az is, hogy az adenin és a guanin purinok nem válogatás nélkül kapcsolódhatnak a két pirimidinhez, a timinhez és a citozinhoz. Az adenin csak a timinhez, a guanin viszont csak a citozinhoz tud kötődni. Ezen hidrogénkötéseket mutatjuk be az 1.22. ábrán, a citozin és a guanin közt; míg az 1.23. ábrán az adenin és a timin között.

1.22. ábra - A citozin és a guanin bázisai közt háromszoros hidrogénkötés alakulhat ki.

A citozin és a guanin bázisai közt háromszoros hidrogénkötés alakulhat ki.

1.23. ábra - Az adenin és a timin molekulákat kétszeres hidrogénkötés tarja össze.

Az adenin és a timin molekulákat kétszeres hidrogénkötés tarja össze.

Ahogyan az 1.23. ábra mutatja, az adenin és a timin bázisa két hidrogénhíddal tud összekapcsolódni (látható, hogy ugyan három hidrogénatom is van köztük, de az egyik szénatomhoz kötődik, aminek következtében nem alakul ki ennél a hidrogénatomnál az az elektronszegénység, ami ahhoz elegendő lenne, hogy a másik oldali oxigénatom nemkötő elektronpárjához kötődjön egy újabb, harmadik hidrogénhíd megvalósításával. A nukleotidmolekulák tehát a (bázisaik segítségével) (komplementer-) párokat alkotnak, az adenin a timinnel, míg a guanin a citozinnel. Ezeket a párokat nevezzük Watson-Crick pároknak a felfedezőik után.

Hasonlóan az RNS-ben az adenin és az uracil közt ugyancsak kettős hidrogénkötés tud kialakulni (1.24. ábra).

1.24. ábra - Az RNS-ben az adenin és az uracil molekulákat kétszeres hidrogénkötés tarja össze.

Az RNS-ben az adenin és az uracil molekulákat kétszeres hidrogénkötés tarja össze.

A kettős spirál (double helix) szerkezetet láthatjuk az 1.21. ábrán, ahol a méreteket is feltüntettük. Ahogy látható, a spirál átmérője 20 Å, vagyis 2 nm = 2 ˇ 10-9 méter. A szomszédos bázispárok 3,4 Å távolságra vannak egymástól. Tíz bázispár alatt a molekula egy teljes csavart alkot, emiatt a térbeli szerkezet miatt a DNS lánc, csak ellenkező irányítású másik lánccal tud összekapcsolódni. Az 1.21. ábrán láthatjuk a kettős spirál szerkezetet megfelelő (komplementer) bázispárokból felépítve. Sematikusan, két-dimenzióban ezt a 1.25. ábrán látható módon ábrázolhatjuk, ahol a szereplő bázisokra a Watson-Crick komplementaritásnak kell teljesülnie. Hasonlóan reprezentálhatjuk azt az RNS-t is, amiben két szál hidrogénkötéssel összetapad (1.26. ábra), vagy a vegyes szálat, aminek egyik szála DNS, a másik pedig RNS-ből áll.

1.25. ábra - A két szálú DNS sematikusan.

A két szálú DNS sematikusan.

1.26. ábra - Két RNS szál összekapcsódása sematikusan.

Két RNS szál összekapcsódása sematikusan.

Tehát a kétszálú DNS két darab egyszálú DNS-ből áll, amik a bázisokból alkotott Watson-Crick párokon keresztül kapcsolódtak össze hidrogénkötéssel.

Mindegyik bázispárnak a szimmetriája lehetővé teszi, hogy a kettős spirálba kétféle módon illeszkedjék be (A = T; T = A; G ≡ C; C ≡ G); így bármely adott DNS-lánc mentén mind a négy bázis minden lehetséges sorrendű permutációban létezhet. Emiatt a specifikus bázispárképzés miatt, ha ismerjük az egyik szál szekvenciáját (pl. TCGCATT), akkor a másik szálét is tudjuk (AGCGTAA). A szemben lévő sorrendet komplementernek nevezzük és a megfelelő polinukleotidpartnert pedig komplementer szálnak.

A két szál közti kötés annál erősebb minél több C G pár fordul elő benne, mivel ezek közt háromszoros hidrogénkötés van, szemben a másik lehetséges pár kétszeres kötésével.

A kétszálú DNS-t (vagy RNS-t) duplasztringént tudjuk leírni, pl.:

5'     3'
ATCGCAT
TAGCGTA
3'     5'

A Watson-Crick komplementaritás miatt elegendő az egyik szál megadása (tudva, hogy DNS-ről vagy RNS-ről van-e szó), ilyenkor sokszor elég az egyik szál megadása (mondjuk az 5' → 3' irányúé).