Az élő szervezet genetikai információja nukleinsavak formájában tárolódik. A nukleinsavak, a DNS (dezoxiribonukleinsav) és az RNS (ribonukleinsav), hosszú, lineáris polimerek, amelyek nukleotid építőelemekből épülnek fel. Minden egyes nukleotid egy cukorból, egy foszfát maradékból és egy nitrogénbázisból (egy purin vagy pirimidin) áll. A DNS hosszabb, mint az RNS, és a szervezet teljes genetikai információját tartalmazza, a bázissorrendben kódolva. Ezzel szemben az RNS csupán az információ egy részét tartalmazza, és a sejtben teljesen eltérő funkciókkal rendelkezhet.

A DNS szerkezetét a kettős hélix jellemzi: Két ellentétes, komplementer nukleinsav szál, amelyek egymás köré spiráloznak. A DNS gerince, a váltakozva összekapcsolódó cukor- és foszfát maradékokkal, kívül helyezkedik el. A bázisok a hélix belsejében találhatók, és bázispárokat alkotnak: Adenin és timin, vagy guanin és citozin, amelyeket hidrogénkötések kapcsolnak össze.

Az emberi genom 3,2 × 10⁹ bázispárból áll, amelyek 23 pár kromoszómán oszlanak el. Minden egyes kromoszóma egy bizonyos hosszúságú lineáris DNS-molekula. A kromoszóma csak a mitózis metafázisa során látható jól fénymikroszkóp alatt, mivel ebben a fázisban maximálisan kondenzált. A kromoszómák a test legtöbb sejtjében párban vannak jelen. A 23 pár mindegyikében az egyik kromoszóma az anyától, a másik az apától származik.

Mindkét egymással összefüggő kromoszómát homológnak nevezzük, mivel mindegyik ugyanannak a génnek egy változatát hordozza. A kromoszómák számának vagy szerkezetének változásai különböző állapotokhoz, például fejlődési rendellenességekhez vezetnek. A kromoszómák különböző molekuláris biológiai és citogenetikai módszerekkel történő vizsgálata gyakran egyértelmű diagnózist tesz lehetővé.

Nukleotidok

Nukleotidok

• Struktúra:
• Nitrogéntartalmú bázis (purin vagy pirimidin),
• Pentózcukor,
• Foszfátcsoport,
• Kötések:
• Nukleozid: Bázis és cukor (ribóz vagy dezoxiribóz), N-glikozidos kötéssel összekapcsolva,
• Nukleotid: Nukleozid és foszfátcsoport, 3'-5' foszfodiészter kötéssel összekapcsolva.

Nukleobázisok

• A citozin 3 hidrogénkötés-donorral rendelkezik, és erős kötést alkot a guaninnal, amelynek 3 hidrogénkötés-akceptora van,
• Stabilabb, mint a 2 H kötésből álló kötések (A-T),
• Minél nagyobb a citozin-guanin kötések száma a DNS-ben, annál magasabb az olvadáspontja,
• Az uracilon kívül számos más bázis is létrejöhet a kezdeti nukleinsavlánc kialakulása után, például:
• Hipoxantin: Adeninből jön létre dezamináció (aminocsoport eltávolítása) útján, RNS szerkesztés során. Inozin formájában van jelen a tRNS-ben, és fontos szerepet játszik a megfelelő wobble bázispár-átírás biztosításában (lásd "Wobble hipotézis"),
• Xantin:
• A purin anyagcseréjének köztiterméke,
• Guaninból dezaminálással keletkezik,
• A purin szintéziséhez szükséges aminosavak:
• Glicin,
• Aszpartát,
• Glutamin.

Nukleinsav cukrok

• Szerkezet: A nukleinsavakban található cukor egy pentóz, amely ötatomos gyűrűvel rendelkezik,
• A DNS dezoxiribóz
• Az RNS ribóz
• Pentóz kötések:
• Bázisok N-glikozidos kötéseken keresztül
• Foszfátmaradék foszfodiészter kötéseken keresztül.

Foszfát csoport

• Egy nukleotid rendelkezhet egy, kettő vagy három foszfátcsoporttal (ezeket "nukleozid-monofoszfátnak", "difoszfátnak" és "trifoszfátnak" is nevezik),
• A nukleinsavak nukleozid-monofoszfátokból épülnek fel,
• A nukleozid-difoszfátok és nukleozid-trifoszfátok (pl. ATP) energiát igénylő biokémiai folyamatokban találhatók meg,
• A foszfátanhidrid kötések nagy mennyiségű energiát tárolnak, amely biokémiai folyamatokban hasznosítható, amikor 3' hidroxil támadás éri őket,
• A nukleinsav 5' végéhez kapcsolódó nukleotid eredetileg három foszfátcsoporttal rendelkezik. A két külső foszfátcsoport lehasadása biztosítja azt az energiát, ami a DNS gerincét felépítő foszfodiészter kötések kialakulásához szükséges.

A nukleotidok és származékaik funkciója

A nukleotidok és nukleotidszármazékok fontos funkciókat töltenek be a szervezetben.

Áttekintés

• A nukleinsavak építőkövei,
• Energiaforrás: Különösen a sejt univerzális energiahordozójaként ATP formájában, de GTP formájában is,
• Jelzőmolekulák: Különösen a második hírvivő cAMP (ciklikus adenozin-monofoszfát) és cGMP (ciklikus guanozin-monofoszfát), mindkettő foszforsav-észter,
• Csoportátadás aktivátorai: Az energiában gazdag kötések kialakításának potenciálja révén a nukleotidok képesek egy molekulát átvinni egy másikra a bioszintézis során, pl.:
• Az UDP-glükóz a glükóz aktív formája a glükogenezisben,
• A táplálékkal bevitt kolin citikolinná aktiválható CTP (citozin-trifoszfát) segítségével, és felhasználható a foszfatidil-kolin szintézisében,
• A 3'-foszfoadenozin-5'-foszfoszulfát (PAPS) szulfátcsoport donorként szolgál a szulfatid szintézisben,
• Az S-adenozil-metionin (SAM) metioninból képződik, és kofaktorként szolgál a metilációs reakciókban,
• Szabályozók: Enzimreakciók a jelátviteli útvonalakban (pl. aktiválja a GTP G-fehérjéket),
• Hordozó molekulák: pl. az elektronhordozó nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD+) és flavin-adenin-dinukleotid (FAD), mint a koenzimek komponensei a redoxreakciókban.

A nukleinsavak áttekintése

Nukleinsavak

• Hosszú, lineáris láncok (polimerek) nukleotidokból,
• Az egyes nukleotidok váltakozó cukor- és foszfát maradékai, foszfodiészter kötésekkel kapcsolódva, alkotják a gerincet
• A nukleinsavak elsődleges szerkezete: A lánc nukleotid szekvenciája
• A foszfodiészter kötések negatív töltésűek,
• A negatív töltések stabilizálják a nukleinsavakat,
• A foszfodiészter kötések nem hidrolizálhatók könnyen, mint más észterek,
• A nukleinsavak (DNS és RNS) kémiai összetétele és ismétlődő nukleotidegységekből álló szerkezete lehetővé teszi számukra, hogy információhordozóként és közvetítőként is működjenek.

A DNS és az RNS összehasonlítása

2. táblázat: DNS vs. RNS.

	DNS	RNS
Bázisok	Timin, Citozin, adenin, guanin, Módosítások, különösen 5-metilcitozinná	Uracil, Citozin, adenin, guanin, Sok szokatlan vagy módosított bázis lehetséges
Cukor	Dezoxiribóz,	Ribóz,
Hossz	Szervezettől függően, Néhány ezertől több millió nukleotidig terjed,	Jelentősen változik, 100 alattitól több ezer nukleotidig terjed,
Struktúra	Kétszálú hélix, Szuperhélix Fehérjékkel (különösen hisztonokkal) társul a sejtmagban való sűrű csomagolás érdekében,	Általában egyszálú (kivéve a kétszálú miRNS-t és siRNS-t), Különböző 3D szerkezetek lehetségesek; pl. hurkok rövid szakaszok képződésével, bázispárosodással (kétszálú),
Funkció	Hordozza az örökletes információt (együttesen a genomként ismert) a szervezet felépítéséhez és működéséhez,	Osztályától függően jelentősen változik, pl. kódoló, szabályozó vagy enzimatikus funkció.

A DNS szerkezete és az emberi genom

A kétszálú DNS áttekintése

Az emberi genom szerveződése

• Dezoxiribonukleotidok kétszálú lánca a sejtekben,
• Mindkét szál komplementer egymással és antiparallel irányban fut
• A nukleotidok egyszálú DNS-t képeznek, amely kétszálú DNS-sé stabilizálódik,
• A DNS jobbra csavarodó kettős spirált vesz fel, amely hiszton-oktamereket kötve nukleoszómákat alkot (elektronmikroszkóp alatt "gyöngyök a madzagon" képként látható),
• Megkezdődik a kromatin képződése, amely ezután tovább tömörödik,
• A replikáció (mitózis vagy meiózis) során a kromatin maximálisan kondenzálódik kromoszómákká (fénymikroszkóp alatt csak metafázisban látható).

Kettős hélix

• A DNS 3D szerkezete, melyben két polinukleotid szál fonódik egymásba, és amelyet a következők stabilizálnak:
• Specifikus bázispárosodás hidrogénkötéseken (H-kötéseken) keresztül a DNS komplementer nukleobázisai között,
• Az A-T kötések 2 H kötésből állnak,
• A G-C kötések 3 hidrogénkötésből állnak, ami erősebb kötést eredményez (a DNS-ben lévő G és C növekedése → a DNS olvadási hőmérsékletének növekedése),
• Hidrofób hatás: A negatív töltésű cukor-foszfát gerinc a hélix külső oldalán, a bázisok pedig belül találhatók,
• Bázis-egymásrahelyeződés (Base stacking): A bázispárok egymásra vannak rétegezve (egymásrahelyezési kölcsönhatások), és van der Waals erőkön keresztül lépnek kölcsönhatásba, ami további stabilizáló hatással bír.
• A kettős spirál egy kis barázdával és egy nagy barázdával rendelkezik.

Konformációk

• B konformáció (B-DNS):
• Legelterjedtebb,
• Jobbra csavarodó kettős spirál,
• 10 bázispár/spirálfordulat, hossza 3,4 nm
• A hélix átmérője: 2 nm,
• A bázisok megközelítőleg merőlegesek a hélix tengelyére,
• A konformáció (A-DNS):
• Jobbkezes kettős spirál, de szélesebb és rövidebb, mint a B-DNS,
• A bázispárok nem merőlegesek a hélix tengelyére, hanem enyhén befelé dőlnek a tengely felé,
• Dehidratált forma, azaz kísérleti körülmények között van jelen, nem in vivo (élő szervezetben)
• Z konformáció (Z-DNS):
• Balkezes kettős spirál,
• Hosszabb, mint a B-DNS, ami kisebb átmérőt eredményez,
• GC-gazdag szekvenciákban fordul elő, bár fiziológiás körülmények között általában ritka,
• A DNS gerincének foszfátcsoportjai cikk-cakk mintázatot alkotnak

Szupertekeredések

• Leírás: Tekeredett kettős hélix , más néven "szuperhélix",
• Előfordulás: Különösen a kör alakú DNS-molekulákban,
• Prokariótákban: baktériumok kromoszómája, plazmidok,
• Eukariótákban:
• Mitokondriális DNS (cirkuláris),
• A lineáris, kromoszómális DNS "inflexibilis" szegmense
• Funkció: A szuperspirálozott DNS-molekulák kompaktabb szerkezettel rendelkeznek, mint a DNS relaxált formája.

Palindróma

• Leírás:
• A palindróma egy olyan szekvencia, ami előre és hátra olvasva is ugyanaz,
• A "palindróma" kifejezés molekuláris biológiai használatban az invertált ismétlődéseket (ismétlődő szekvencia ellentétes irányban) jelenti,
• Előfordulás:
• A palindromikus szekvenciák olyan bázispár-sorozatot jelentenek egy adott szegmensen, amely mindkét komplementer DNS-szálon azonos módon olvasható, azaz a szekvencia mindig ugyanúgy olvasható mindkét szálon 5' → 3' irányban,
• Előfordulhat, hogy a palindromikus szekvenciák között olyan bázisok is vannak, amelyek nem komplementerek,
• Ezek a szegmensek önkomplementerek, és hajtűhurkot (hairpin loop) képezhetnek. Ez a képesség kereszt alakú struktúra kialakulását eredményezi a kétszálú DNS-ben,
• Funkció: Egyes fehérjék, amelyek képesek a DNS-hez kötődni, a palindromikus szekvenciákat igénylik felismerő szekvenciaként, például a szteroid hormon receptorok vagy a restrikciós enzimek

Kromatin

• Definíció: A DNS és a hozzá kapcsolódó fehérjék (mind a hisztonok, mind a nem-hisztonok) komplexuma, amely ismétlődő egységekként (nukleoszómákként) szerveződik,
• Funkciók:
• A DNS (egy nagyon nagy molekula) kondenzációja és szerveződése lehetővé teszi a sejtmagban való tárolást, és fontos a génszabályozás szempontjából,
• Kromatin remodeling:
• A kromatin szerkezetének megnyitása kompakt állapotból egy könnyebben hozzáférhető elrendezésbe,
• Lehetővé teszi a transzkripciós faktorok és az RNS-polimeráz számára, hogy hozzáférjenek a gének specifikus lokuszaihoz,
• Különböző enzim-átalakítók (pl. SWI/SNF ATPázok), hiszton poszttranszlációs módosítások (lásd alább) és maga a DNS közvetlen módosítása (pl. DNS-demetiláció) segíti elő,
• Típusok:
• Heterokromatin:
• Inaktív DNS-t tartalmaz, mivel a nagymértékben kondenzált a sztérikus konformáció nem teszi lehetővé az átírást,
• Sötétebb az elektronmikroszkópos (EM) felvételeken,
• A DNS erősen metilált és deacetilált,
• Eukromatin:
• Aktív DNS-t tartalmaz, mivel a kevésbé kondenzált szterikus konformáció a DNS-t hozzáférhetővé teszi a transzkripció számára,
• Világosabb az elektronmikroszkópos (EM) felvételeken.

Hisztonok

• Definíció: Fehérjék csoportja, amelyek az eukarióták magjában a DNS-hez kötődve tartják fenn a kromatin szerkezetét,
• Karakterisztika:
• Pozitív töltésűek a magas (körülbelül 25%) alapvető aminosav (arginin és lizin) tartalmuk miatt,
• Erős ionos kölcsönhatásokat mutatnak a negatív töltésű DNS-sel (a DNS-en található foszfátcsoportokon keresztül),
• Az S fázisban szintetizálódnak a citoszolban, majd a sejtmagba szállítódnak,
• Típusok: Négy maghiszton és egy linker hiszton létezik,
• 4 mag hiszton: H2A, H2B, H3, H4,
• Két molekula minden egyes maghisztonból alkotja a nukleoszóma 8 fehérjéből álló magját, azaz egy hiszton-oktamert, amely köré a DNS szegmensekben feltekeredik,
• A génexpressziót a hisztonok reverzibilis poszt-transzlációs módosításain (acetiláció, metiláció, foszforiláció, ubikvitiniláció, szumoiláció, ADP-riboziláció) keresztül szabályozzák,
• Hiszton-metiláció:
• A hiszton metiláció a hiszton-metiltranszferáz enzimen keresztül történik, amely a lizin vagy arginin aminosav-maradékokat célozza,
• A metiláció általában gátolja a transzkripciót azáltal, hogy lehetővé teszi a DNS szorosabb feltekeredését. Azonban a metilcsoportok elhelyezkedésétől és számától függően a metiláció a transzkripciót is elősegítheti,
• Hiszton-acetilezés:
• Specifikus lizin aminosav-maradékok (pozitív töltésűek) acetilációja a hiszton fehérjéken → kevésbé pozitív töltésű hisztonok → gyengébb DNS-kötés → a DNS feltekeredésének lazulása → transzkripciós aktivitás ↑
• Hasonlóképpen, a hiszton-deacetiláz enzimek általi hiszton deacetiláció szorosabbá teszi a DNS feltekeredését és csökkenti a transzkripciós aktivitást,
• Klinikai vonatkozások: Huntington-kór patogenezise (diszregulált acetiláció, pl. hiszton-deacetiláció, amely megváltoztatja a génexpressziót); pajzsmirigyhormon által kiváltott acetiláció, amely befolyásolja a pajzsmirigyhormon szintézist,
• Linker hiszton (H1):
• Szerkezet: Nem teljesen ismert, de a maghisztonokétól eltérő, kevésbé egységes szerkezetű,
• Funkció: A linker DNS-hez és a nukleoszómához kötődik, ami a kromatinrost stabilizálódásához vezet.

Nukleoszóma (nukleoszóma mag részecske)

• Definíció: DNS (∼150 bp) és hiszton oktamer szerkezeti és funkcionális komplexe, amely a kromatinnak a "gyöngyök a szálon" megjelenését adja,
• Struktúra:
• A DNS nagyjából 1,8 fordulattal tekeredik a nukleoszóma magja köré,
• A nukleoszómák egymáshoz kapcsolódnak a linker DNS (változó hosszúságú rövid DNS-szegmens) segítségével,
• 30 nm-es kromatinszál (szolenoid):
• 30 nm átmérőjű szálakhoz spirálisan kapcsolódó nukleoszóma szál,
• A 30 nm-es szál minden egyes csavarodása ∼6 nukleoszómát tartalmaz,
• Kromatin hurok:
• A DNS kondenzált formája a nukleoszómán és a 30 nm-es rostokon túl,
• A hiszton H1 és a nem hisztonok vesznek részt a hurkok kialakításában.

Kromoszómák

• Leírás:
• A kromatin egy sűrűbb csomagolása, amely csak a sejtosztódás (különösen a metafázis idején) válik láthatóvá mikroszkóp alatt,
• Kromoszómák száma az emberi genomban: 46 (23 pár),
• A testi sejtek 23 pár homológ, megkettőződött kromoszómát tartalmaznak (összesen 46 kromoszómát),
• Az ivarsejtek (gaméták) ezzel szemben csak 23 egyedi, meg nem kettőződött kromoszómát tartalmaznak,
• Struktúra: Egy kromoszómapár két azonos kromatidából áll, amelyeket középen egy centromér köt össze.

A humán genom

• Az emberi genom körülbelül 3,2 milliárd bázispárból (bp) áll,
• Egy emberi sejtben tárolt DNS hossza összesen körülbelül 1,8 méter lenne,
• A magi genom (a sejtmagban található) mellett létezik egy mitokondriális genom is, amely nagyrészt RNS-hez kapcsolódó fehérjéket kódol.

Nukleáris genom

• A genom körülbelül 10%-a tartalmaz géneket és kapcsolódó szekvenciákat,
• A nukleáris genom ∼3%-a kódol fehérjéket (beleértve az intronokat is) és RNS-eket,
• A nukleáris genom ∼1%-a csak exonokat kódol,
• ∼90%-a nem tartalmaz géneket,
• A DNS-szekvenciák ∼50%-ának a funkciója ismeretlen,
• ∼45%-uk ismétlődő szekvenciákból (ismétlődő genetikai elemekből) áll,
• Egyszerű ismétlődő DNS-elemek (tandem ismétlődések),
• Szatelit DNS: akár 18 000 nukleotidból álló ismétlődő szekvenciák
• Miniszatelit DNS: 3–100 nukleotidból álló ismétlődő szekvenciák,
• Mikroszatelit DNS: 2–6 nukleotidból álló ismétlődő szekvenciák,
• Korábban mobilis genetikai elemek (mint például a transzpozonok, LTR , nem-LTR, LINE , SINE )
• A genom körülbelül 24%-át intronok teszik ki.

Mitokondriális genom (mitokondriális DNS, mtDNS)

• Körülbelül 16 500 bázispárból álló, kör alakú genom,
• A mitokondriális DNS nem használ hisztonokat a DNS csomagolásához,
• Az mtDNS több mint 90%-a strukturális géneket kódol, beleértve az mRNS-t, a tRNS-t és az rRNS-t,
• 13 gén, amelyek fehérjéket, azaz mRNS-eket kódolnak,
• 22 gén a tRNS-ekhez,
• 2 gén az rRNS-hez.

RNS: Szerkezet és jellemzők

RNS-osztályok és szerkezetük

Az RNS-ek különböző típusokra oszthatók, amelyek hosszúságukban, szerkezetükben és funkciójukban is eltérnek. Típusától függően az RNS lehet egyszálú vagy kétszálú szegmens.