Mandl József (szerk.)

Biokémia

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

4.2.2. A DNS szerkezet változások alapja

A DNS kettős hélix szerkezete, amit Watson és Crick írt le, az alábbi fő szerkezeti elemeken alapszik.

Két, ellentétes polaritású polinukleotid lánc egy közös tengely mentén jobb menetes kettős hélixet alkot.
A purin-és pirimidinbázisok a hélix belsejében, a cukor-foszfátok kívül helyezkednek el.
Az Adenin (A) Timinnel (T) alkot bázispárt, két hidrogénkötéssel. A Guanin (G) Citozinnal (C) három hidrogénkötéssel kapcsolódik bázispárrá az ellentétes láncokon.
A kettős hélixet ezenkívül stabilizálják az egymás fölötti bázisok között fellépőhidrofób kölcsönhatások.

A Watson-Crick-modellt (mai neve β-DNS hélix) a DNS-szál röntgendiffrakciós felvételeiből alkották meg, amely a kettős hélix jellemző tulajdonságainak átlagos értékeit szolgáltatta. Későbbi technikák finomabb analízist tettek lehetővé, és kiderítették, hogy a kettős hélix szerkezeti paraméterei változnak a polimerben, attól függően, hugy milyen a bázisszekvencia egy-egy szakaszon.

Szintetikus DNS oligomérek analízise azt mutatta, hogy a láncon belül hatféle forgási lehetőség van, szemben a polipeptidlánc két forgási lehetőségével. A cukorgyűrű konformációs állapotai valamint a bázis helyzete a cukor gyűrűhöz képest azok a szerkezeti tulajdonságok, amelyek a polinukleotid másodlagos szerkezetét meghatározzák. A Watson-Crick kettős hélixben egy teljes fordulatra tíz bázispár esik, ez azt jelenti, hogy az egymás melletti bázisok 36°-kal fordulnak a tengely mentén. Ez a forgásszög azonban 28°–42° között változhat, a helyi szekvenciáktól függően, ami természetesen meghatározza az egy fordulatra eső bázispárok számát.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_972/#m1344bikaps_972 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_972/#m1344bikaps_972)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_972/#m1344bikaps_972)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.20. ábra. A bázispárok a DNS-ben nem teljesen koplanárisak

A kettős hélix lokális bázis sorrendje határozza meg az ún. „propellcr forgást”, azaz a bázispár tagjainak ellentétes irányú elfordulását, ami a bázis-bázis kölcsönhatást fokozza egy láncon belül (4.20. ábra). A lokális változatosságnak egy másik fajtája az ún. „bázisgördülés”, ami a szomszédos bázisgyűrűk egymáshoz viszonyított helyzetét, billenését jelenti. Ezek a finom, lokális változások specifikus fehérjék hatására is létrejöhetnek.

A β-DNS hélixben nem csak finom helyi szerkezetváltozások jöhetnek létre, amelyek a bázissorrendtől függnek, hanem a kettős hélix feltekeredhet, „szuper tekercs”-et hozva létre, anélkül, hogy a helyi szerkezet megváltozna, ezen kívül nagyobb ívek alakulhatnak ki. A molekulának ez a flexibilitása teszi lehetővé, hogy köralakot is felvegyen és hogy fehérjék köré feltekerve kompakt, kis térigényű formában (nukleoszómák) tárolható legyen a sejtekben. Bizonyos szekvenciáknál (pl. AAAA) vagy fehérjék hatására a kompakt szerkezetből „kilógó” hurkok, „göndörödések” jöhetnek létre a DNS-ben.

A β-DNS kettős hélix felszínén a fehérjék számára két eltérő felismerőhely adódik, a „nagy árok” és a „kis árok”. A nagy árok 1,2 nm, a kis árok 0,6 nm széles. A kis árokban helyezkednek el a pirimidinek 2-es helyzetű O-atomjai (O-2) és a purinok N-3 atomjai, amelyek H-akceptorok lehetnek, a guanin C-2 amino csoportja pedig H-donor lehet fehérjékkel kialakított H-kötésekben. A nagy árokban rnég több H-akceptor atom helyezkedik el, így az N-7 a purinokban, az O-4 a timinben és az O-6 a guaninban, H-donorok pedig az aminocsoporíok a C-6-on az adeninban és a C-4-en a citozinban. A jobb hozzáférhetőség és a H-kötés kialakítás jobb lehetősége miatt a nagy árok a fontosabb felszín a fehérjekötés szempontjából (4.19. ábra, 4.20. ábra, 4.21. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_977/#m1344bikaps_977 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_977/#m1344bikaps_977)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_977/#m1344bikaps_977)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.21. ábra. A DNS felszín H-akceptor és H-donor csoportjai

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_979/#m1344bikaps_979 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_979/#m1344bikaps_979)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_979/#m1344bikaps_979)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.22. ábra. A furanóz gyûrû C2’-endo (B-DNS-ben) és C3’-endo (A-DNS-ben) konformációja

A nukleinsavakban további finomszerkezet-változások jöhetnek létre, amelyeket a cukor konformációja határoz meg. A ribo-furanóz gyűrűben három szénatom egy síkban van, a negyedik kiemelkedik ebből a síkból, amit borítékkonformációnak neveznek. A C2’-endo konformáció esetén a C2’ atom, a C3’-endo konformációnál pedig a C3’ atom emelkedik ki a gyürü síkjából (4.22. ábra).

A B-DNS-ben C2’-endo pentóz egységek vannak, azaz a ribóz C2’-atomja a gyűrű síkja fölé emelkedik. Ha a D-ribóz C3’-endo konformációt vesz fel, a kettős hélix szerkezete megváltozik, a bázispárok a hélix tengelyére többé nem merőlegesek, 19°-kal eltérnek ettől a helyzettől. Ennek következménye, hogy a kettős hélix szélesebb, zömökebb lesz, a kis-árok csaknem eltűnik, ezt a DNS konformációt A-DNS-nek vagy A-hélixnek nevezzük, ami vízelvonással is létrejöhet a B-DNS-ből.

Az A-típusú jobb menetes dupla hélix nem csak a dupla szálú DNS-ben (dsDNS) jöhet létre. Dupla szálú RNS-szakaszok („hajtű” szerkezetnél), DNS-DNS hibrid molekulák leggyakrabban szintén A-típusú dupla hélix konformációban fordulnak elő. A ribóz 2’-OH csoportja nem engedi meg a B-DNS hélix kialakulását, csak az A szerkezetet teszi lehetővé.

Néhány hélixtípus jellemző paraméterét mutatja a 4.2. táblázat.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_985/#m1344bikaps_985 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_985/#m1344bikaps_985)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_985/#m1344bikaps_985)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.23. ábra. A különféle nukleinsav dupla hélixek

4.2. táblázat. A dsDNS hélix különböző formái

Hélixtípus	bp./fordulat	Forgás/bp.	Helixátmérő
A	11	+32,70"	2,3 nm
B	10	+36,00°	I,9 nm
C	9,33	+38,60°	1,9 nm
D	12	-30,0°	l,8 nm

A Watson-Crick dupla hélixtől nagyon eltérő szerkezetet vesz fel az a szintetikus hexanukleotid, amely CGCGCG bázisokból áll. Ellentétben az A és B hélixszel, ez a hélix bal menetes, a foszfátdiészter lánc cikk-cakk lefutású, innen kapta a Z-DNS nevet is. Az ismétlődő egységek ebben a formában inkább a dinukleotidok. A Z-DNS-ben csak egy mély árok van, a másik árok sekély. Az A, B és Z DNS-ek térkitöltő modelljét a 4.23. ábra mutatja.

A Z-DNS-konformációt a glikozidos kötés körüli szabad rotáció teszi lehetővé. A nukleotidoknál láttuk, hogy „syn” és „anti” konformációt tesz lehetővé a glikozidos kötés körüli forgás. A pirimidinnukleotidok leggyakrabban antikonformációt vesznek fel, azaz a bázis és a cukor gyűrűje egymástól távol, a kötés két oldalán van. A purinnukleotidok antiés syn-konformációban is lehetnek (4.6. ábra). Az A- és B-DNS-ben minden glikozidos kötés anti konformációban van. A Z-DNS-ben minden pirimidin anti- és minden purin syn-konformációban van. Purin-pirimidin ismétlődő szekvenciáknál a B-DNS időlegesen balmenetes Z-DNS konformációt vehet fel, amely termodinamikailag kevésbé stabil, mint a jobb menetes B-DNS. Az átalakulás lehetőségét mutatja 4.24. ábra, a jelölt szakaszon a bázispárok 180°-ot elfordulnak.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1344bikaps_991/#m1344bikaps_991 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1344bikaps_991/#m1344bikaps_991)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1344bikaps_991/#m1344bikaps_991)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

4.24. ábra. A B-DNS átalakulhat Z-DNS-sé a bázispárok átfordulásával

A Z-konformáció kialakulását segíti a citozinok C-5-ös helyen történő metilálása, ami az eukarióta DNS-ben gyakran előfordul, ha a DNS nem íródik át. Hasonlóan kedvez a Z-DNS kialakulásának a negatív „super-coil” konformáció a cirkuláris DNS-ben (lásd később). Az eukarióta kromoszómákban gyakran fordulnak elő ismétlődő purin-pirimidin szekvenciák, amelyek hordozzák a Z-konformáció lehetőségét. Specifikus ellenanyagokkal Z-DNS-re jellemző szakaszok láthatók is az eukarióta genomban, pontos funkciójuk nem ismert. A legújabb kutatások alapján a DNS kettős hélix „nyújtott” formában is létezik, 2–4 bp esik egy fordulatra (p-DNS).