4. fejezet - A DNS felépítése és vele végezhető műveletek

Az élet egyik alapvető molekulája a dezoxiribonukleinsav, röviden DNS. Röviden megnézzük, hogyan foghatóak számításokra ezek a molekulák, amikkel a természet pár millió év óta „számítja ki az élőlényeket”. A molekuláris genetika és ennek köszönhetően a DNS-számítások is forradalmi és viszonylag új területei a tudománynak, melyek napjainkban is folyamatos és jelentős fejlődésen mennek keresztül.

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.

4.1. A DNS szerkezete

4.1.1. A nukleotidok felépítése

Először is tehát nézzük a DNS felépítését. Mint minden (makroszkopikus) anyag a hétköznapi világban a DNS molekulák is atomokból épülnek fel. A DNS-ek felépítésében ötféle atom vesz részt: ezek a hidrogén (H), amely 1 vegyértékű, az oxigén (O), amely két vegyértékű, a nitrogén (N), amely három vegyértékű, a szén (C), amely négy vegyértékű és a foszfor (P), amely öt vegyértékű. Ez azt jelenti, hogy mindegyik építőelem más-más számú kovalens kötés létesítésére képes.

A nukleinsavak nukleotid egységekből álló polimerek. Mindegyik nukleotidban van foszfátcsoport, cukor és egy bázis. Amikor sok nukleotid összekapcsolódik, polinukleotid keletkezik. A DNS-ek felépítésében négy nukleotid vesz részt: ezek az adenin , a citozin , a guanin és a timin . Lásd a 4.1., 4.2., 4.3. és 4.4. ábrákat, amelyeken a négyféle nukleotid kémiai felépítését mutatjuk be (az adenint teljesen a többi nukleotidnak pedig csak a bázis részét). A bázisok gyűrűit szén és nitrogén atomok alkotják.

4.1. ábra - Az adenin molekula: a bázis, a pentóz és a foszfát-csoport szerkezete és kapcsolódásuk módja.

Az adenin molekula: a bázis, a pentóz és a foszfát-csoport szerkezete és kapcsolódásuk módja.

4.2. ábra - A citozin bázisának felépítése.

A citozin bázisának felépítése.

4.3. ábra - A guanin bázisának kémiai felépítése.

A guanin bázisának kémiai felépítése.

4.4. ábra - A timin molekula bázisa.

A timin molekula bázisa.

Láthatjuk, hogy az adenin és a guanin purin (egy hatszög és egy ötszög alakú váz közös éllel) alapúak, míg a citozin és a timin pirimidin (egy hatszög) vázas. A nukleotidokra a nevük kezdőbetűjével fogunk (röviden) hivatkozni: így pl. A jelöli az adenint, G a guanint.

Minden bázishoz ugyanígy kapcsolódik a cukormolekula (pentóz) és a foszfát-csoport, mint ahogy az adenin molekulában ( 4.1. ábra). Szokás a cukor szénatomjait a bázistól kezdődően számozni, ahogy az ábrán is tettük. Általában a pentóz szénatomjaira , stb. alakban hivatkozunk, így az oxigén az és szénatomot kapcsolja össze, a foszfát-csoport pedig az szénatomhoz kapcsolódik.

A DNS molekula minden nukleotidja tehát egy bázisból, egy pentóz cukor (dezoxiribóz) molekulából és egy foszfát-csoportból áll. A nukleotidok vizes közegben savként viselkednek, vagyis ahogy a DNS nevében is szerepel, savas kémhatású lesz az oldatuk: általában a foszfátcsoport OH csoportjaiból ad le hidrogéniont H( ) a víznek a molekula, így negatív töltésűvé válva (a vízben így a savas kémhatásért felelős oxónium ionok keletkeznek).

4.1.2. 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. Még érdekesebbnek tűnt a felvetés, hogy igen sokféle DNS molekula létezhet, s mindegyik sajátos bázissorrenddel jellemezhető. Ma már tudjuk, hogy ez az a mód, ahogyan a DNS molekulák felépülnek, s a DNS 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 szénatomját köti a következő nukleotid cukrának szénatomjához (kovalens kötéssel) ( 4.5. ábra, ahol a kékkel jelzett cukor csoportok és a pirossal jelzett foszfát csoportok váltakozva adják a DNS szál gerincét).

4.5. ábra - DNS lánc kialakulása nukleotidokból vízkilépéssel.

DNS lánc kialakulása nukleotidokból vízkilépéssel.

A cukor és a foszfátcsoportok közötti foszfodiészter-kötésekkel jön létre a DNS gerince. Az egyszálú DNS -ben a nukleotidok tehát egy láncot alkotnak, melynek egyik végén a másik végén szabad vég helyezkedik el, amin keresztül a lánc folytatható.

Egy molekulát tehát egy sztringnek tekinthetünk, mint pl. ACACGGTAA jelölve a megfelelő végeket.

4.1.3. Watson-Crick párok – a kétszálú DNS

Kromatográfiás elválasztási módszereket alkalmazva vizsgálták a purin és pirimidin bázisainak mennyiségét egy DNS molekulán belül. Azt tapasztalták, hogy a négy bázis nem egyenlő mennyiségben van jelen, sőt nyilvánvaló volt az is, hogy mennyiségük igen változó. Azt is felfedezték, hogy a négy bázis mennyisége nem egymástól függetlenül változik. E. Chargaff vizsgálatai szerint minden egyes vizsgált fajban az adenin purin mennyisége majdnem vagy tökéletesen pontosan megegyezik a timin pirimidinével. Hasonlóképpen, a másik purin, a guanin mennyisége mindig nagyon hasonló vagy azonos volt a másik pirimidin, a citozin mennyiségével. A purinok száma a DNS-ben így megközelítően egyenlőnek mutatkozott a pirimidinekével.

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. A DNS alapvető egységének így két, összetekeredett láncból kellett állnia, de ellenkező irányú szállefutással.

A kétszálú DNS-láncok felépítésében alapvető szerepet játszik a Watson-Crick komplementaritás. 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 molekuláris szerkezete tehát a következő: 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 H-hidat 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 (lásd a 4.6. ábrát) a bázisok kémiai struktúrája miatt.

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

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

A nukleotidmolekulák (bázisaik segítségével) tehát (komplementer-) párokat alkotnak, az adenin kettős hidrogén-kötéssel kapcsolódhat (és a kétszálú DNS-ben kapcsolódik is) a timinhez, míg a guanin hármas hidrogén-kötéssel a citozinhoz. Ezeket a párokat nevezzük Watson-Crick pároknak a felfedezőik után. A kettős spirál két szálát, a két egyszálú DNS molekulát ezek a hidrogénkötések tartják össze. 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. TCGCAT ), akkor a másik szálét is tudjuk ( AGCGTA ). A szemben lévő sorrendet komplementernek nevezzük és a megfelelő polinukleotid-partnert komplementer szálnak. Pl.: