Dezoxiribonukleinsav

A dezoxiribonukleinsav (közismert magyar rövidítése: DNS; angol rövidítése: DNA - deoxyribonucleic acid) a nukleinsavak (nukleotidokból felépülő szerves makromolekulák) csoportjába tartozó összetett molekula, amely a genetikai információt tárolja magában, ez az örökítőanyag. A DNS esetében a nukleotidok három következő komponensből épülnek fel: heterociklusos bázisok (adenin - A, guanin - G, citozin - C, timin - T), pentóz (dezoxiribóz - pontosabban 2-dezoxi-β-D-ribóz) és végül a harmadik alkotóelem a foszforsav. A DNS szerkezete lehetővé teszi az információ stabil tárolását, pontos megkettőződését (DNS-szintézis) és utódokba való átadását. A biológiai információ átadódását egyik generációról a másik generációra maga az örökítőanyag teszi lehetővé, amely nélkülözhetetlen a fajfennmaradás érdekében.

A DNS kettős hélix szerkezete lehetővé teszi a genetikai információ stabil tárolását. A molekula folyamatosan hullámzik és különféle alakokba csavarodik. A nitrogén kék, az oxigén piros, a szén zöld színnel van jelölve

A három fő makromolekula, a DNS, az RNS és a fehérjék az élet megjelenési formáinak esszenciális feltétele. A molekuláris biológia alapja maga a centrális dogma, vagyis a genetikai információáramlás iránya kevés kivételtől (pl. retrovírusok) eltekintve a következő: DNS → mRNS → fehérje → tulajdonság. A centrális dogma magába foglalja a transzkripciót (vagyis az átíródást: DNS → mRNS) és a transzlációt (vagyis az átfordítást: mRNS → fehérje).

Eukarióta sejtekben a DNS egyedi és elég bonyolult struktúrákba, úgynevezett kromoszómákba rendeződik. Sejtosztódáskor, a DNS-replikáció (DNS megkettőződés = DNS-szintézis) folyamata során ezeknek a kromoszómáknak a száma megkettőződik. Az eukarióta szervezetekben (ez alatt a következőket értjük: állatok, növények, gombák, protiszták) a DNS a maghártyán belül, vagyis a sejtmagban található, illetve sejtmagon kívül a mitokondriumban és a kloroplasztiszokban is jelen van. Prokariótáknál pedig a sejtplazmában diffúz formában tárolódik a DNS. Vírusokban az örökítőanyag lehet DNS vagy RNS, és ezen szempontok alapján is csoportosíthatóak.

A kromoszómákon belül a kromoszóma fehérjék, vagyis a hisztonok fontos szerepet játszanak a DNS stabilitásában, szerveződésében. Ez a kompakt struktúra ad útmutatást a DNS és más fehérjék között, segít abban, hogy mely DNS részek íródjanak át. A DNS kémiai szerkezete magában rejti az evolúcióban fontos szerkezetváltozás lehetőségét is. Az információ nemcsak a fehérjék szerkezetére vonatkozik, hanem módot nyújt azok szintézisének mennyiségi és időbeli szabályozására is, így végső soron a sejtek csaknem valamennyi funkciója a DNS ellenőrzése alatt áll.

A DNS szerkezete

A DNS térbeli szerkezete

A DNS és RNS közötti eltérések

A DNS szerkezete.
(A foszfátcsoport citromsárgával, a dezoxiribóz baracksárgával, a bázisok más színekkel jelölve)

A DNS alakja kettős hélix, vagy hétköznapibb elnevezéssel kettős csavar. A magyar irodalomban helytelenül a "kettős spirál" név terjedt el Watson The Double Helix című könyvének pontatlan magyar fordítása nyomán. A spirál fokozatosan változó átmérőjű, míg a DNS szerkezete állandó átmérőjű, tehát hélix.

Mint ahogy az a nevéből is látható, a DNS egy nukleinsav. A nukleinsavak ismétlődő nukleotid egységekből álló nagy méretű molekulák (polimerek). A DNS-ben előforduló nukleotidok három egymáshoz kapcsolódó elemből állnak:

• egy nitrogéntartalmú szerves bázisból (adenin, timin, citozin, guanin),
• egy pentózcukorból (dezoxiribóz) és
• egy foszfátcsoportból. Egy 2010-es vizsgálat szerint a GFAJ-1 baktérium DNS-e foszfor helyett arzént is tartalmazhat, ám ezt később más kutatók cáfolták.

A polimer váza a nukleotidok foszfodiészter kötéssel egymáshoz kapcsolódó dezoxiribóz részeiből áll. A foszfodiészter kötés az egyik nukleotid cukor komponensének 3'OH-csoportja és a következő cukorkomponensének 5'OH-ja között található, foszfátcsoport „közbeiktatásával”, amint erre a kötés neve is utal. A szerkezet változó része az egymást követő nukleotidok bázisainak a sorrendje, ez a bázissorrend határozza meg az információt. A bázisok két csoportra oszthatók: pirimidinekre és purinokra. A pirimidinek 6 atomos, a purinok 9 atomos heterociklusos gyűrűt tartalmaznak. Mindkét nukleinsav (DNS, RNS) négyfajta bázist tartalmaz: a purinok közé tartozó adenin és guanin a DNS-nek és az RNS-nek egyaránt alkotórésze. A pirimidinek közül a DNS-ben citozin és timin található, az RNS-ben citozin és uracil van. Az uracil és timin közötti egyetlen különbség az, hogy az 5. szénatomon a timinben egy metilcsoport helyezkedik el. A bázisokat gyakran csak kezdőbetűikkel jelöljük, így a DNS-ben A, G, C és T, míg az RNS-ben A, G, C és U fordul elő.

A pentóznak két típusát találjuk meg a nukleinsavakban: a DNS-ben a dezoxiribóz, míg az RNS-ben a ribóz fordul elő. A különbség közöttük az, hogy a dezoxiribóz 2. szénatomján -OH csoport helyett csak -H van. A bázisok a pentóz 1. szénatomjához kapcsolódnak glikozidos kötéssel. (A pirimidinek az 1., a purinok a 9. nitrogénatomjukkal kapcsolódnak a pentózhoz.) Hogy megkülönböztethessük a bázisok és a pentózok atomszámait, az utóbbiakat vesszővel (pl: 5', 3') jelöljük.

A bázisok és a pentózok által alkotott vegyületeket nukleozidoknak nevezzük, melyek egy foszfátcsoporttal kiegészülve alkotják a nukleotidokat. A nukleinsavakban a nukleotidok összekapcsolódva polinukleotid láncokat hoznak létre, melyek gerincét alternáló pentóz és foszfátcsoportok képezik.

A DNS szerkezetének felfedezése

A DNS történetének kezdete 1869-ig nyúlik vissza, amikor Johann Miescher nukleinsavat talált gennyes kötszer fehérvérsejtjeiben. Ez utóbbi vezette később a kutatókat arra a gondolatra, hogy a DNS lehet az örökítőanyag egy élő organizmusban. A DNS-t 1871-ben azonosították a Rajnában élő pisztráng spermájából, bár pontos szerepe az öröklődésben tisztázatlan maradt. Albrecht Kossel német biokémikus 1879-ben megállapította, hogy a nukleinsavak tagjai ötféle bázis – adenin, timin, citozin, guanin és uracil – kombinációi.

Az 1950-es években három csoport tűzte ki céljául a DNS szerkezetének felfedezését. Az első csoport a londoni King’s College-en alakult és Maurice Wilkins vezette. Később Rosalind Franklin csatlakozott. Egy másik, Francis Crickből és James D. Watsonból álló csoport is alakult a Cambridge-i Egyetemen. A harmadik csoport Caltechen volt, és ezt Linus Pauling vezette. Crick és Watson fizikai modelleket készített fémrudakból és golyókból, amikben egyesítették a nukleotidok ismert kémiai szerkezetét ugyanúgy, mint a kapcsolatokat, amik a nukleotidokat a következőhöz kapcsolják a polimer hosszában. A King’s College-en Maurice Wilkins és Rosalind Franklin röntgenkrisztallográfiás vizsgálatokat végeztek a DNS-láncon. A három csoport közül csak a londoni csoport tudott a szerkezet tisztázására alkalmas, jó minőségű röntgensugár-elhajlási képet készíteni.

A DNS kémiai szerkezete

A hélix-szerkezet

1948-ban Pauling felfedezte, hogy sok fehérje tartalmaz csavarodott alakzatokat. Pauling erre a szerkezetre röntgenmintákból következtetett. (Pauling Astbury adatai alapján később egy háromláncos hélix-szerkezetre következtetett hibásan.) Még a kezdeti elhajlási adatokból a DNS-ről, amit Maurice Wilkins készített, nyilvánvaló lett, hogy a szerkezete hélix jellegű. De ez a megérzés csak a kezdet volt. Az a kérdés, hogy hány szál kapcsolódik, még nyitott maradt, ugyanúgy, mint hogy vajon ez a szám ugyanannyi-e minden molekulánál, vagy hogy a bázisok a spiráltengely felé néznek, vagy attól el, és végül hogy mik a konkrét kötési szögek és az atomok pontos koordinátái. Ezek a kérdések motiválták Watson és Crick modellezési próbálkozásait.

Egymást kiegészítő nukleotidok

A modellezésben Watson és Crick arra korlátozták magukat, amit kémiailag és biológiailag észszerűnek láttak. A lehetőségek spektruma viszont még mindig széles volt. 1952-ben áttörés következett be, amikor Erwin Chargaff meglátogatta Cambridge-t és Cricket inspirálta azokkal a kísérletekkel, amiket 1947-ben publikált. Chargaff megfigyelte, hogy a négy nukleotid aránya változik a különböző mintákban, de bizonyos nukleotidpárok esetén – adenin és timin, guanin és citozin – a két nukleotid mindig egyenlő arányban mutatkozik meg.

Watson és Crick modellje

Crick és Watson DNS modellje, ami 1953-ban épült, jelenleg a Londoni Nemzeti Tudományos Múzeumban tekinthető meg.

Watson és Crick elkezdtek kettős csavarvonal elrendezéseken gondolkodni, de nem volt elég információjuk a csavarodásról és a távolságról a két szál között. Rosalind Franklinnek fel kellett fednie néhány felfedezését az Orvosi Kutatási Tanácsnak, és Crick ezt az anyagot láthatta Max Perutz OKT-hez fűződő kapcsolatain keresztül. Franklin munkája igazolt egy kettős hélixet, ami a molekula külsején volt, és betekintést nyújtott a szimmetriájába, pontosabban, hogy a két spirális szál ellenkező irányba fut.

Watson és Crick ki lettek segítve Franklin adataival. Ez vitatható, mivel Franklin kritikus röntgenmintáját Franklin tudomása és beleegyezése nélkül mutatták meg Watsonnak és Cricknek. Wilkins a híres 51-es fotót egyből azután mutatta meg Watsonnak a laborjában, miután az sikertelenül próbálta rávenni Franklint, hogy segítsen megelőzni Paulingot a szerkezet megtalálásában.

Az 51-es fotó adatai alapján Watson és Crick nem csak azt tudták megállapítani, hogy a távolság a két szál között állandó, hanem a pontos 2 nanométeres értékét is meg tudták mérni. Ugyanaz a fotó adta meg nekik a hélix 3,4 nanométer/10 bázispár „sűrűségét”.

Az utolsó ötlet akkor jött, amikor Crick és Watson meglátták, hogy a bázisok kiegészítő párosítása magyarázattal szolgálhat Chargaff elgondolkoztató felfedezésére. Ennek ellenére a bázisok szerkezetét hibásan tippelték a tankönyvekben enol tautomernek, mivel nagyobb eséllyel vannak ketonformában. Amikor Jerry Donohue rámutatott erre a téveszmére Watsonnak, Watson gyorsan rájött, hogy az adenin-timin párok, és a guanin és citozin párok majdnem megegyező formájúak, és egyenlő méretű „létrafokokat” hoznak létre a két szál között. A bázispárokkal Watson és Crick gyorsan olyan modell felé tért, amit már azelőtt bejelentettek, mielőtt Franklin bármelyik munkáját publikálta volna.

Franklin két lépésre volt a megoldástól. Nem jött rá a bázispárok létezésére és alábecsülte a szimmetria létét. Ennek ellenére egyedül dolgozott, nem volt rendszeres kapcsolata egy partnerrel (mint Crick és Watson esetében) és más szakértőkkel (mint Jerry Donohue-val). A jegyzetei azt mutatják, hogy mind Jerry Donohue munkájára tekintettel volt a bázisok tautomer formájával kapcsolatban (a ketonformát használta 3 bázisnál), mind Chargaff munkájára.

Franklin adatainak elárulása Watsonnak dühített néhány embert, akik úgy hitték, Franklin nem kapta meg a kellő elismerést és esetleg felfedezte a szerkezetet egyedül, Crick és Watson előtt. Crick és Watson híres cikkében a Nature-ben 1953-ban azt mondták, hogy a munkájukat Wilkins és Franklin munkája ösztönözte, a munkájuk alapja volt. Ennek ellenére megegyeztek Wilkins-szel és Franklinnel, hogy cikkeiket a Nature közös lapszámában hozzák nyilvánosságra az ígért szerkezet hasznára.

A Watson–Crick-modell

A DNS replikációja

Watson és Crick modellje nagy figyelmet vonzott már a bemutatásakor. Az 1953. február 21-ei végkövetkeztetésükhöz jutván Watson és Crick az első bejelentést február 28-án tették közzé. Cikkük az „Egy szerkezeti változat a dezoxiribonukleinsavra” április 25-én került nyomtatásba. Egy hangsúlyos bemutatón 1957-ben Crick lefektette a „központi dogmát”, ami megjósolta a kapcsolatot a DNS, az RNS és a fehérjék között, és megformálta a „szekvencia-elméletet”. A replikációt, a kettős hélixszerkezet egy kritikus bizonyítékát 1958-ban fedezték fel, a Meselson–Stahl-kísérlet formájában. Crick és munkatársai kimutatták, hogy a genetikai kód egymást nem átfedő, kodonnak nevezett bázishármasokból áll. Har Gobind Khorana és mások nem sokkal ezután megfejtették a DNS-kódot. Ezek a felfedezések voltak a molekuláris biológia kezdetei.

Watsont, Cricket és Wilkinst 1962-ben orvosi Nobel-díjjal jutalmazták a DNS szerkezetének felfedezéséért. Franklin addigra meghalt rákban 37 éves korában. A Nobel-díjat nem osztják posztumusz, ha még élt volna, a döntés a megosztott Nobel-díjról nehéz lett volna, mivel maximum hárman oszthatják meg a díjat, de mivel a munkájuk vegyészetnek számít, feltételezhető, hogy Wilkins és Franklin inkább kémiai Nobelt kapott volna.

Kapcsolódó szócikkek

A Wikimédia Commons tartalmaz Dezoxiribonukleinsav témájú médiaállományokat.

Biológiai-biokémiai vonatkozások:

• DNS-javítás, mutáció
• gén, genetika; genom

Laboratóriumi vizsgálómódszerek:

• DNS-szekvenálás, polimeráz-láncreakció, Southern blot

Források

• A DNS ötven éve Archiválva 2011. augusztus 30-i dátummal a Wayback Machine-ben
• Arzén tartalmú DNS-re bukkantak
• DNS-ről szóló írások a PubMed Central-on