Mandl József (szerk.)

Biokémia

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

4.5. A DNS-molekula hossza, információtartalma, másolása

A legegyszerűbb sejtekben is több ezer fehérje biztosítja az életfolyamatok összehangolt működését, ezek a fehérjék a DNS-ben vannak kódolva, ami feltételezi, hogy a DNS a leghosszabb molekula a sejtekben. Az E. coli-ban egyetlen cirkuláris dsDNS-molekula van, amely négymillió bázispárból (bp) áll, molekulatömege 2,6xlO6 kilodalton. Az izolált DNS 1,4x106 nm (1,4 mm) hosszú, átmérője azonban csak 2,0 nm. Izoláltak 2,1 cm hosszúságú 6,2xl09 bp-t tartalmazó DNS-molekulát is, rovar nyálmirigy kromoszómából. A molekula hossza makroszkopikus, átmérője azonban atomi méretű, tehát nagyon aszimmetrikus molekulával állunk szemben. Tulajdonságai, így a viszkozitás, sérülékenység összefüggnek ezzel az aszimmetrikus szerkezettel, amelyek megkülönböztetik a fehérjék hasonló tulajdonságaitól. A globuláris feliérjék 5-10 nm átmérővel rendelkeznek általában, de a kollagén, amelyik a leghosszabb fehérje, csak 300 nm hosszú. A legegyszerűbb szervezetek, a vírusok DNS-e is több ezer bázispárból áll, elektronmikroszkóp alatt hosszú fonál alakú, aszimmetrikus molekulaként látható. Az E. coli DNS ezerszer hosszabb, mint a sejt átmérője, tehát natív állapotban a dsDNS kompakt szupertekercsként összecsomagolva fér csak el a sejtben.

Az elektronmikroszkópos felvételek számos sejt, virus esetében kör alakú, cirkuláris DNS-t mutattak, máskor pedig lineáris dsDNS-t találtak mint például a lambda fág esetében. Vírusoknál a nyugalmi állapotban a DNS általában lineáris, a replikáció során a gazdasejtben azonban cirkuláris molekulává záródik.

Az eukariota sejtek DNS-e három milliárd bázispárból épül fel. A tájékozódás megkönnyítésére megabázís (Mb) és kilobázis (Kb) egységekről szokás beszélni,

1 Mb = 103 Kb = 106 bázis (vagy bázispár)

A hatalmas mennyiségű DNS az egyszerű eukariotákban (Saccharomyces cerevisiae; pékélesztö) és a legnagyobb sejtekben is kromoszómákba rendezve, csomagolva helyezkedik el. Az élesztőben 16 kromoszóma van, amelyek DNS-e 0,2-2,2 Mb közötti bázissal rendelkeznek. Magasabbrendűekből 76 Mb nagyságú DNS-molekulát is izoláltak egyetlen kromoszómából. A kromoszómákban a DNS egyetlen, el nem ágazó, lineáris polinukleotid lánc, amely egy-két nagyságrenddel hosszabb, mint az E. coli kromoszóma.

A DNS reverzibilisen denaturálható és renaturálható, mint ezt korábban láttuk. Az egyszálú DNS reasszociációs, renaturációs sebessége nagyon különböző, attól függően, honnan származik a DNS. A leggyorsabban az eukariotákból izolálható, ún. szatellita DNS reasszociál, amely a kromoszómák centromér részéből származik. Ez azt jelenti, hogy ebben a DNS-ben sokkal több azonos nukleotid szekvencia fordul elő, mint például az E. coli vagy a vírus-DNS-ben. A gyakran ismétlődő nukleotid-szakaszokat repetitív szekvenciáknak nevezzük, és ezek az eukariota genomban fordulnak elő nagy mennyiségben.

Az ismétlődések gyakorisága alapján az eukariota nukleotid szekvenciák három csoportba sorolhatók.

Nagyon gyakran (milliószor) ismétlődő, rövid, 300 bp hosszú szakaszok fordulnakelő. Ide sorolható a szatellita DNS, az Alu-szekvenciák (elnevezés a felismerő enzim alapján történt), amelyek minden emlős-DNS 10%-át teszik ki.
Közepesen gyakran ismétlődő nukleotid szekvenciák a genom 20–30%-át képviselik. Ilyen szekvenciákban vannak kódolva például a riboszóma RNS gének, a hiszton gének. Ezek 10–1000-szer ismétlődnek egy-egy genomban, speciestől függően.
A DNS legnagyobb tömegét (60–70%) az ismétlés nélküli, egyedi nukleotid-szekvenciák képviselik. Ilyen gének például az ovalbumin gén, amely a tojásfehérje termeléséért felelős a madarak tojócsövében. Ide sorolhatók a hemoglobin alegységek génjei, amelyek néhányszor ismétlődnek retikulociták genomjában, és számos más fehérjét kódoló gének.

A genetikai anyagra a dinamikus alkalmazkodóképesség jellemző. így egyszer előforduló gének esetében, ha gátoljuk a gén termékét, az enzimet, a sejt képes az érintett gént megsokszorozni, A jelenséget gén amplifikációnak nevezik, és számos, egyszeres gén esetében kimutatták különleges körülmények között.

Az eukariota-DNS mintegy ezerszer több a bakteriális DNS-nél, mégis az aktív gének száma csak kb. ötvenszer több az eukariotákban, mint a mikroorganizmusokban. Az izolált géneknek is csak egy kis része felelős a fehérjekódért. Mai tudásunk szerint az emlős DNS-nek csak 2%-a „működik”, íródik át fehérjékké. Az emberi genom közel hárommilliárd olyan bázispárt tartalmaz, amely nem fejeződik ki az élet során, a nagymennyiségű „felesleges” információ, feltehetően az evolúció során halmozódott fel.