Mandl József (szerk.)

Biokémia

Aminosavak, peptidek, szénhidrátok, lipidek, nukleotidok, nukleinsavak, vitaminok és koenzimek

4.2.1. A DNS kettős helix

Miután 1944-ben kiderült, hogy a DNS felelős a genetikai információ továbbításáért, szerkezetének kutatása nagy intenzitással megindult. James Watson és Francis Crick 1953-ban leírták, hogy a dezoxiribonukleinsav kettős hélix szerkezettel rendelkezik. A kettős hélix modellt a tisztított DNS röntgendiffrakciós vizsgálataira, valamint annak kémiai analízisére alapozták.

A röntgendiffrakciós felvételek azt mutatták, hogy a DNS natív állapota a dupla hélix, amelyben két polinukleotid lánc van egymásra feltekerve. A hélix szerkezete szabályos, a lánctekeredés egy teljes fordulata 3,4 nm távolságban van. Mivel az egyes nukkotidok egymástól való távolsága 0,34 nm, egy fordulatra 10 nukleotidpár esik. A kettős hélix átmérője 2 nm.

A DNS-oldat sűrűségéből lehetett arra következtetni, hogy a natív hélix két polinukleotid láncot kell hogy tartalmazzon. A hélix átmérője is azt mutatta, hogy két bázispár helyezkedik el egymással szemben, úgy hogy pirimidinnel szemben mindig purin, illetve purinnal szemben mindig pirimidinbázis fér csak el az adott molekulaátmérő esetében. A kémiai analízisek azt is mutatták, hogy függetlenül az egyes bázisok mennyiségétől, a G és C bázisok aránya mindig hasonló az A és T bázisok arányához. Az egyes DNS-ek bázisösszetételét a G+C bázisok arányával szokták jellemezni. A DNS-ek bázisösszetétele az élő szervezetek között jelentősen változik, a prokariotákban az A-T-előfordulás 25-75% között változik, emlősökben ez az érték kiegyensúlyozottabb, 45-53% között mozog.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_954/#m1344bikaps_954 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_954/#m1344bikaps_954)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_954/#m1344bikaps_954)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.18. ábra. A komplementer bázispárok a H-kötésekkel

A kettős hélix két polinukleotid láncának iránya ellentétes, antiparallel, azaz az egyik lánc 5’→3’, a másik lánc 3’→5’ irányban halad. A láncokat hidrogénkötések és hidrofób kölcsönhatások tartják össze. Az ellentétes láncok illeszkedése nagyon pontos, az A-T bázispárokat két hidrogénkötés, a G-C bázispárokat pedig három hidrogénkötés tartja össze (4.18. ábra). A bázisok illeszkedését nevezzük a bázisok, illetve a DNS-láncok komplementaritásának. A DNS kettős hélix a komplementer szerkezetnek köszönhetően ugyanazt az információt tartalmazza.

A specifikus bázispárok kialakulásában a bázis-tautomerizációnak nagyon nagy jelentősége van. Az elektron és protonvándorlás az -OH-csoport és a gyűrű N-atom között minden bázis számára két tautomer - a laktim (enol) és laktám (oxo) – formát tesz lehetővé (4.4. ábra). A kettős hélixben a bázisok laktam formában vannak (4.4. ábra).

A bázisok tárgyalásánál láttuk, hogy azok planáris szerkezetűek. Az egymás fölött elhelyezkedő planáris bázispárokat apoláros és hidrofób kölcsönhatások tartják össze, amelyek jelentősen hozzájárulnak a kettős hélix stabilitásához a hidrogénkötéseken kívül (4.19. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_959/#m1344bikaps_959 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_959/#m1344bikaps_959)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_959/#m1344bikaps_959)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.19. ábra. A lapos bázispárok merõlegesek, a cukor-foszfát vázra

A bázisok hidrofób tulajdonsága, az aromás gyűrűk elektronszerkezete az egyik legfőbb motiváló erő a polinukleotid lánc helikális szerkezetének kialakításában. Már az egyszálú polinukleotid lánc esetében is az egymás fölött elhelyezkedő lapos gyűrűk minden poláros molekulát, vizet kizárnak a környezetükből, viszont apoláros kölcsönhatásokkal kapcsolódnak egymáshoz (stacked), mintegy prizmái építve fel a hosszú láncból, felvéve a legstabilabb szerkezetet, a hélixet. Ebben a helikális szerkezetben a foszfátok negatív töltéséhez kationok, a sejtben Mg2+ ionok kapcsolódnak. Extrém körülmények között, melyek a hidrofób kölcsönhatásokat károsítják, a szabályos hélix szerkezet megszűnik, rendezetlen „random coil” állapot alakul ki. A DNS egyes rövid szakaszai a sejtben lehetnek egyszálú formában, azonban a DNS tömege kettős hélix formájában van.

A DNS kettős hélix kialakulása során a molekula külső félszínén helyezkednek el a foszfát cukor egységek, amelyektől negatív töltése van a DNS-felületnek. A negatív töltés semlegesítését végezhetik fémionok, ez az oka annak, hogy a DNS NaCl-ban jobban oldódik, mint vízben. A sejtben a negativitás kompenzálására szolgálnak a bázikus aminosavakban gazdag fehérjék, a hisztonok, amelyek a DNS „csomagolásáért”, kondenzálásáért is felelősek. A DNS-hélix felszínén, a két lánc tekeredése során, mivel a bázispárok glikozidos kötései nem pontosan egymással szemben helyezkednek cl, kialakul egy kis árok és egy nagy árok. A kettős hélix tengelye mentén a bázispárok kb. 36°-kal fordulnak el a szomszédos bázispárhoz képest. Mivel egy teljes fordulat 360°-ot jelent, tíz bázispár fér el egy teljes fordulatban.

Két polinukleotid lánc elvben jobb vagy bal menetes hélixet is képezhet, azonban a természetben a jobb menetes hélix fordul elő a legnagyobb mennyiségben, amit Watson-Crick hélixnek, az utóbbi időben pedig béta-DNS vagy B-DNS hélix konformációnak nevezünk.

A DNS molekulát évtizedeken keresztül csak bázis szekvencia hordozó, rigid láncnak tartották, amelyben a dupla hélix szerkezet állandó, és mindig a B-DNS konformációban fordul elő. Kiderült, hogy a dupla szálú szerkezet flexibilis, a körülményektől függően időnként cgyszálú szakaszok, vagy a B-DNS-től eltérő kettős hélix szerkezetek is előfordulhatnak.

Korábban láttuk, hogy a kettős hélix kialakulása során a szomszédos bázispároknak (bp) az N-glikozidos kötés forgási lehetőséget biztosít, az egymáshoz viszonyított helyzet ezzel változhat. Ez a forgás (kb. 36°) biztosítja a spirál kialakulását, amelyben egy teljes fordulatra átlagosan 10 bp jut. Pontosabb mérések azt mutatták, hogy ez a szerkezet nem ilyen merev, és a B-DNS-ben az egy fordulatra eső bp-ok száma (n) 10,0-10,6 között változik.

A továbbiakban vizsgáljuk meg, mi az alapja a DNS-hélix konformáció változásainak, az építőelemek, a nukleotidok szintjén.