1 genetikai alapok

5/24/2018 1 Genetikai alapok

1/28

A Biotechnolgia termszettudomnyi alapjai

Hallgati elads-jegyzet

Mszaki Menedzser hallgatk szmra

Elad: Dr. Pcs Mikls egyetemi docens

[email protected]

Oktatsi anyagok tallhatk az

www.oktatas.ch.bme.hu

/oktatas /konyvek /mezgaz /BiotechManager

alknytrban


2/28

A biotechnolgia termszettudomnyi alapjai 1. Genetikai alapok

Hallgati eladsjegyzet 2

A tananyag felptse

Genetikai alapok: (1-2 elads)A DNS replikcija,

mutcik,

repair mechanizmusok

operon szablyozs

Mikrobiolgiai alapok:

Tulajdonsgok, feloszts, szaporods, a mikrobk s krnyezetk

Gnmanipulcis mdszerek:Induklt mutci+szelekci anyagcsere mrnksg

Protoplaszt fzi,

Clzott gnbevitel plazmidokkal,

Gnbevitel agrobaktriumokkal,

Gnmanipullt mikroorganizmusok

Gnmanipullt nvnyek

Gnmanipullt llatok

Biotermkek gyrtsa

Szablyozs, engedlyezs


3/28



1. Genetikai alapok

I. Prokaritk s eukaritk

Az lvilgban az lsejtekkel foglalkozunk, ezek az sejtek, azonban nem egyformk.

A legfbb problma a termszettudomnyban is akrcsak a trsadalomtudomnyban abbl

szrmazik, hogy valamit elneveznk egy nvvel s utna egysgesnek tekintjk, pedig

tulajdonkppen nem az. gy van ez a sejtekkel is, melyek ltalban nem egyformk, teht

alapvetklnbsgek vannak a sejtek mkdse kztt gy mskppen kell az egyikkel bnni

s mshogyan kell a msikkal bnni. gy az els dolog az, hogy megklnbztessk a

sejteket.

Prokaritknaknevezzk azokat az egyszerbb llnyeket (a primitv sz, mellyel

sok helyen tallkozunk helytelen elnevezs, hiszen ha egy llny v-szzmillikon t fenn

kpes maradni s nem hal ki, az nem nevezhetprimitvnek), teht az egyszerbb llnyek,

az evolciban elbb megjelenk a prokaritk, melyeknek nincs valdi sejtmagjuk.

Idetartoznak a baktriumok, belertve a fonalas szerkezetsugr-gombkat (Actinomycetales)

is, s a kkmoszatok (a kkmoszatokat jabban mr kkbaktriumoknak (Cyanobacteriales)

nevezik, ppen azrt, mert k prokaritk).

Az eukaritknak a prokaritkkal szemben van valdi sejtmagjuk, mghozz egy

biolgiai membrnnal krlhatrolt, jl elklnlt, mikroszkppal is megnzhet sejtmagjuk

van.

Tulajdonkppen ugyanazok az molekulk megtallhatk a prokaritkban is csak

nincs meg ez az elklnlt szerkezet. Az eukaritk evolcisan ksbb jelentek meg, lassan,

fokozatosan kialakult egy zrt bels sejtmag, s ezek a sejtek bonyolultabbak s

sszetettebbek lettek, mint a prokaritk, gy ezek a sejtek bonyolultabb s sszetettebb

mkdsre is kpesek, mint a prokarita sejtek. Az eukaritk kz soroljuk az lesztket,

fonalas gombkat, protozokat (nagyobb egysejt llnyek, mint pldul az ambk),

zldmoszatokat, s az sszes tbbsejtllnyt. Teht az llnyek risi tbbsge eukarita,

az ember is eukarita sejtekbl pl fel.


4/28



1. kp: A prokarita s az eukarita sejt szerkezete:

A prokarita sejt (bal oldali): egyszer szerkezet sejt. A bels rsze gyakorlatilag

homogn. Az rkt anyag, a DNS egy zrt hurkot alkot, amely egy ponton a sejt-

membrnhoz ktdik. A kpen a fekete pontok a riboszmkat jellik.

Az eukarita sejt (jobb oldali): Ebben rengeteg sejtalkot van. Szinte mindegyiket

biolgiai membrnok hatroljk. A barns szna sejtmag.

A prokarita s az eukarita sejt kzti evolcis kapcsolatot az alapjn vizsgljuk,

hogy hogyan alakult ki a prokarita sejtbl fokozatosan az eukarita sejt.

2. kp: Az eukarita sejt kialakulsa


5/28



Az bra azt mutatja, hogy a kvlrl hatrol biolgiai membrn fokozatosan

begyrdtt a sejt a belsejbe. Az gy kialakul nagyobb fellet tbb helyet adott a klnbz

biokmiai reakciknak. gy vgl az evolci sorn kialakult egy tbb-kevsb zrt sejtmag.

A begyrdtt membrnokbl alakult ki a sejtmaghrtya s az endoplazms retikulum (egy

membrn szerv ami krlveszi a sejtmagot). Teht a sejtmag ltrejtte nem egyik pillanatrl a

msikra trtnt, hanem fokozatosan alakult ki.

3. kp: A prokarita s az eukarita DNS

A kpeken a prokarita s eukarita DNS fnykpe lthat. A gyrs prokarita

DNSen egy kosrfl szerthidals lthat, mert a fot ppen a sejt duplikldsa, osztdsa

kzben kszlt. A gyrs kromoszma lemsolsa flig mr vgbement. A rgi (C) s j

(A,B) DNS tallkozsi pontjait x-el s y-nal jelltk. Az x a kiindulsi pont, innen indula

msols, az y pont pedig krbeszalad a kromoszmn, ahogy msoldik a DNS. Amikor

visszar az x ponthoz, akkor a kt teljesen egyenrtk kromoszma sztvlik, s az

osztdsnl a kt utd sejtbe kerl.

Az eukarita DNS: Egyms hegyn-htn elklnl kromoszmk lthatk egy

eukarita sejt magjban. Ez a kp a vals llapotot mutatja. (Sok tanknyvben lehet tallkozni

a kromoszmk egyms mell rendezett, idealizlt kpvel).

II. A DNS

A DNS a genetika alapja, ez hordozza a genetikai informcit. A kurzus sorn a DNS

szerkezete s m

kdse kiemelten fontos lesz. A DNS alapjait egy hrom egysgb

l llmozaik kpzi.


6/28



4. kp: A DNS molekula szerkezete (leegyszerstett bra)

Az alap hrom egysg: Kis srga karika: foszft(foszfor sav csoport), mellette okker

srga rsz a cukor(ez DNS esetben dezoxiribz, ettl van a D beta nevben), a harmadik

zld szntglalap, amire G van rva a DNS bzis.

4 fle klnbzDNS bzis ltezik. A cukor s a foszft mindegyiknl ugyanaz.A kp jobb oldala azt szemllteti, hogy hogyan nz ki a 4 fle mozaik ami felpti a

DNS lnct, valamint ezek sszekapcsoldst. A lineris alaplnc vltogatva foszft-cukor-

foszft-cukor molekulk hossz sorozata, rajta a cukrokon lgnak a DNS bzisok. A

teljes DNS molekula kt ilyen lineris polimerbl tevdik ssze. gy egy ltraszeralakzat ll

ssze. Kt darab hossz cukor-foszft lncbl s a kett kztti bzisokbl ll. A kt darab

cukor-foszft lnc, azrt prhuzamos, mert a kztk lvbzisok csak bizonyos prosodsban

fordulhatnak el

. A G s C, valamint A s T mindig egyms mellett fordulnak el

. Ezek gyprosval egyforma hosszak, gy kifesztik gy a rendszert, hogy egyforma tvolsgra


7/28



legyenek egymstl mindig. A bzisok kzt a kis piros vonalak gyenge msodlagos kmiai

klcsnhatsok. Aszerint van kt illetve hrom kis piros vonal, hogy hny hidrogn hd kts

kti ket ssze.

5. kp: A DNS bzisprok kmiai szerkezete

Ha megfigyeljk a jobb oldalon az A - T bzisprt, akkor egy nagyobb s egy kisebb

molekult lthatunk. A G - C szintn egy nagyobb s egy kisebb bzis molekulbl ll pr.

Ez a nagyobb-kisebb prosts eredmnyezi, hogy a ltrafokok egyforma hosszak, gy

prhuzamos a kt darab cukor-foszft lnc. Ezen az brn is ugyanaz a szn jelzi a cukrot

(okker srga) s a foszftot (srga). A hidrogn hd ktseket a lils sznvonalak jelzik. A

bzisok kzt a kis piros vonalak gyenge msodlagos kmiai klcsnhatsok. Aszerint van kt

illetve hrom kis piros vonal, hogy hny hidrogn hd kts kti ssze a prokat. Az A s a T

kztt kett, a G s a C kztt 3 tud kialakulni.

Az brn az is lthat, hogy a DNS szlaknak irnya van, az egyik vgk foszforsavcsoportban, a msik pedig cukor molekulban vgzdik. Ezeket a vgeket 3 s 5 jellssel

azonostjk. A szmok a cukormolekulban a szabadon marad sznatom sorszmt jelentik.

A ksbbiekben fontos lesz, hogy a ketts szl DNS molekulban a kt szl irnya

ellenttes.

A 4. kp baloldaln egy szp egyenes ltrt lttunk. A DNS azonban nem ilyen. A

DNS ketts spirlt alkot. Emltettk, hogy a DNS olyan, mint egy ltra, azonban egy merev

anyagbl kszlt ltrt nehz lenne megcsavarni. Sokkal jobb hasonlat az, hogy a DNS nemltra,hanem cipzr. Egy textilcskot, mint a cipzr, ugyangy meg lehet csavarni, mint a


8/28



DNS-t. A hasonlat abbl a szempontbl is szemlletes, hogy (a kocsi vgighzsval) a

cipzrat is szt lehet szedni kt kln szlra, valamint a kt szlat egyesteni lehet sok ponton,

jl illeszked, mgis hajlkony ketts szll.

Az egyes tktsek a kt szl kztt egyforma hosszak, az egyes molekulk skjai

prhuzamosak maradnak a megtekereds sorn is. Az brn a srga s kk molekula egy skot

alkot, ezzel prhuzamosan a zld s piros molekula is egy, az elbbivel prhuzamos skot

alkot. A spirl menetemelkedse is lland, egy teljes krlfordulsra 10 bzispr esik.

A DNS ketts spirl szerkezetvel mr mindenki a korbbi iskolai tanulmnyai sorn

is megismerkedhetett, azonban az eukaritk DNS szerkezete ennl bonyolultabb. Ha a DNS

pusztn ilyen ketts spirl lenne, akkor a sejtek tbb mter hossz DNSe jelentsen kilgna a

sejtbl. Teht a DNS-t ssze kell csomagolni valahogyan.

6. kp: Nukleoszmk

A DNS ketts spirl (a piros zsinr a kpen) fehrje orskra tekeredik fel.

Mindegyiken pontosan kt menetnyi DNS helyezkedik el. Ezek az egysgeket nukleoszm-

nak nevezik. Az ors fehrjk hisztonok, azaz bzikus fehrjk. A DNS = dezoxiribonukle-

insav, ami az ellenttes tlts miatt vonzdik, kapcsoldik a bzikus fehrjkhez. A DNS

rtapad ezekre a bzikus fehrjkre. Ha mind a kett savas lenne, akkor az egyforma tlts

miatt tasztank egymst.


9/28



A kk sznnel jellt fehrje egysg 8 darab fehrjbl ll. Ahhoz, hogy a gombolyts

precz legyen, mg egy kilencedik kis fehrje (srgval jellve) is odatapad. Ha rtekeredett a

hisztonra a kt menetnyi DNS, akkor ez a kis fehrje, mint rgzt egysg mg rgzti,

nehogy vletlenl kigombolyodjon.

A kzpen a fotn a nukleoszmk lineris (gyngysorszer) elhelyezkedse lthat.

De ez sem ilyen lineris elhelyezkedslegtbbszr, hanem tovbb tmrdik.

7. kp: A DNS tmrtse

Az brn a fels3 rsz a DNS kettspirljt, a gyngysor kromatint (az elbbi elek-

tronmikroszkpos felvtelen is ez az llapot volt lthat) s a prhuzamos nukleoszma

lncokat mutatja. Minden felsbb brrl ltni lehet, hogy az alatta lv alsbbnak mekkora

rsze. A negyedik sorban a tmr nukleoszma lnc is rendezett hullmz szerkezetet ad s

mg ez is laznak tekinthetaz igazi tmr szerkezetkromoszmhoz kpest (a kp legals

rszn). Teht az emberi kromoszmnak a nukleoszma lnc is igen kis rsze.


10/28



A DNS feltekert s sszehajtogatott formja, ami a kromoszmkban troldik kb.

50000-szer rvidebb, mint az eredeti ketts spirl forma.

A DNS funkcija, mkdse

A DNS elsdleges funkcii az trsok. Tbb fle irny trs lehetsges s

mindegyiknek ms szerepe van. Attl fggen, hogy mire rjuk t a benne lv informcit

ms s ms a funkci.

1. trs: DNS-rl DNS-re:

Ez a genetikai informci a megduplzsa. A sejtosztdshoz szksges informci

trsa. Teht az alap molekula s ami keletkezik az is DNS.

2. trs: messenger RNSre

A fehrje szintzis rsze, trs DNS-rl mRNS-re. A fehrje szintzisnek kt lpse van. A

transzkripci s a transzlci.

Els lpse a transzkripci. trs messenger RNS-re, ami egy olyan ribonukleinsav, ami

informcit tovbbt, ezrt messenger (hrviv, kzbest) RNS.

3. trs: ms nukleinsvakra

Ez szintn DNS-rl RNS-re trtnik. Csak ez a msik RNS ami ltrejn nem a fehrje

szerkezetet kdolja, hanem lehet riboszma RNS (szerkezeti RNS) s lehet transzfer RNS.A riboszma s a transzfer RNS bzis sorrendje is a DNSben troldik, szintzisk direkt

trssal trtnik.

A DNS trsnak, msolsnak folyamata

A DNS ketts szla lthat (mint a prhuzamos szl zipzr), ezt elszr szt kell

csavarni, majd szt kell vlasztani, teht egy megfelelenzimrendszer sztnyitja a kt szlat

s utna mind kt szl alapjn elkszt egy j DNS szakaszt. A kpen pirossal van jellve azj DNS. s kt teljesen ekvivalens msolat keletkezik. Ez attl jhet ltre, hogy az egyes

bzis prok mindig csak a fentebb elmondott prostsokban fordulhatnak el. A bzisprok

rszei komplementer mdon mindig meghatrozzk egymst, gy az egy szlbl kiplt ketts

szl DNS tkletesen azonos lesz az eredetivel. Ezt mindkt szimpla szl DNS-sel meg

lehet csinlni.


11/28



8. kp: A DNS replikcija 1

Az brn a szmok 3 s 5 azt jelzik, hogy a DNS szlak azok irnytottak. Van

irnyuk, gy a kt vgk nem egyenrtk.


A DNS kir enzimek msolsa egyirny. Csak az 5-3 irnyba kpes pteni,fordtva nem. Ha kett szedjk a DNS-t akkor azt ltjuk, hogy az enzim az egyik szlon


12/28



folyamatosan vgig tud menni s s folyamatosan pti ezt a szlat. Ez az egyszerbb eset. A

msik szlon a msik irnyba kellene haladni, hogy ugyanolyan folyamatosan menjen a DNS

szintzis, de az enzimek erre nem kpesek. (Az evolci nem tkletes ). Ebbl az

kvetkezik, hogy ezen a msik szlon a folyamat nem tud egy lpsben vgig menni. Az j

DNS darabokban keletkezik. Egyszerre kb. ezer bzisprnyi DNS darabok keletkeznek s

ezeket ssze kell kapcsolni. Az sszektseknl megn a hiba lehetsg. A msolsi sorn

keletkeznek hibk, ezekrl ksbb lesz sz.

A sztnyl DNS szakaszt, ahol a folyamat vgbemegy, az angolbl tvve magyarul

is replikcis villnak nevezik.

10. kp: A DNS replikcis gpezet.

Az eredeti DNS szl srgval van jellve. Az j szlak pirossal s zlddel. Fent a DNS

3 vge lthat, teht itt az enzimrendszer folyamatosan vgig tud menni a DNS-en, amiegyenknt tbb enzimbl ll komplex (a zld polimerzbl s pirosas cssz gyrbl

tevdik ssze). Ez az enzimrendszer folyamatosan szintetizlja a komplementer szlat. A

msik szlon viszont ezt visszafel kell megcsinlni. Ugyanaz az enzimrendszer hajtja vgre a

folyamatot, de ez csak gy lehetsges, hogy a villtl tvolod irnyban halad. Rkapcsol a

szimpla DNS szlra, s felpti az j szlat a mr ksz ketts szl vgig (ez egy Okazaki

szakasz), majd levlik s visszatr a villa kzelbe.

A villa kzelben a fedetlen DNS szakaszt stabilizl fehrjk tartjk egyenesen

(barna rszek).


13/28



A srgval jelzett rsz a DNS helikz enzim, ez csavarja szt a DNS-t.


A DNS trsa fehrjkreEz a folyamat kt lpsben trtnik. Az elslps (transzkripci) sorn az informci

trdik a DNS-rl RNS-re, teht ribonukleinsavra, a messenger RNS-re. A messenger

(hrviv) RNS viszi t az informcit a DNS-rl a riboszmkra.

A msodik lps a lefordts, vagy transzlci. Ez a fehrjeszintzis, az informci trdik

mRNS-rl aminosav lncokra.

12. kp: Az trsok fajti

A brn a piros nyilak irnya fejezi ki a genetika centrlis dogmjt. A centrlis dogma azt

mondja, hogy az informci mindig a DNS-tl megy az RNS-ig, s aztn a fehrjre. A

centrlis dogma akkor dlt meg, amikor felfedeztk a vrusok egy csoportjban (RNS vrusok)

az informcit nem DNS trolja, hanem ribonukleinsav. Ezeknek a vrusoknak van egy

sajtos enzimrendszere, ami az informcit RNS-rl rja t DNS-re. Ezzel megdlt a centrlis

dogma, hogy az informci mindig egy irnyba terjed.

A biotechnolgiban sokszor az a cl, hogy egy llnybe egy j tulajdonsgot

vigynk be. Ehhez ebbe a rendszerbe kell belenylni Az j tulajdonsghoz egy (vagy tbb) j

fehrjt kell szintetizlnia a sejtnek. Ehhez pedig a megfelelgn(eke)t kell bevinni a sejtbe -ezt nevezzk gnmanipulcinak. Meg kell vltoztatni a DNS-t, olyan mdon, hogy az


14/28



rkldlegyen. Ugyanis, ha nem rkldik, akkor az utd generci nem fogja hordozni az

adott tulajdonsgot. Ha a rendszerbe ilyen mdon sikerlt belenylni, akkor megjelenik az j

fehrje, s megjelenik az llny j tulajdonsga.

13. kp: Transzkripci

A transzkripci folyamatt az eddig hasznlt szimblumokkal mutatja be a 13. kp. A

DNS szn s formakdja ugyanaz, mint eddig. Alul a ribonukleinsav szintzist lthatjuk. Az

alapszl cukorrszei kkek, mivel ezek ribzok s nem dezoxi-ribzok. A cukorrsz adja a

ktfle nukleinsav (DNS, RNS) nevnek els tagjt. A dezoxi-ribz kmiailag gy vezethet

le ribzbl, hogy a cukor egyik sznatomjn az OH csoport helyett csak egy hidrogn van.

Dez + oxi = oxign nlkli.

Ez egy szimpla szl nukleinsav, nincs komplementer prja.

Az trs (transzkripci) rszletesebben

A genetikai kd az egsz lvilgban kzs, a vgl kialakul aminosav sorrendet a bzisok

sorrendje hatrozza meg. A DNSnek csak 4 fle bzisa van, fehrjealkot aminosavbl meg

20 fle. Teht az egy bzis - egy aminosav megfeleltets nem mkdik. Emiatt tbb bzisbl

ll kdot kell vlasztani. A kvetkezlehetsg a kt bzisbl ll kd. Kt bzisbl is csak

4*4 = 16 fle kombincit lehet kialaktani, ez is kevs a hszfle aminosavhoz. gy mg a


15/28



kettbzis is kevs. Az llnyekben a kdols bzis-

triplettekkel (bzis hrmasokkal) trtnik. gy az els

helyre 4 flt a msodik helyre 4 flt a harmadik

helyre szintn 4 fle bzis kerlhet, azaz 4x4x4 = 64

fle kombinci lehetsges. Ez nemcsak elegend a

kdolsra (tbb mint 20), sokkal tbb lehetsget ad.

Teht a kd bzis triplettekekkel mkdik, de

ez a kd redundns, mivel sok olyan triplett ltezik,

ami ugyanazt az aminosavat kdolja. Hrom triplett az

un. stop kd, ami nem aminosavat jell, hanem a

fehrjelnc vgt jelli.

14. kp: Transzkripci

A ketts szl DNS kt szla a duplikci szempontjbl egyenrtk. A

fehrjeszintzisnl viszont a sztvlasztott kt DNS szl kzl csak az egyikrl lehet rtelmes

fehrjt kirni. Ha a msikat is kirnnk, akkor az a komplementer szl teljesen rtelmetlen s

haszontalan fehrjt eredmnyezne. Csak az egyik DNS szl hordozza az informcit, csak az

rdik t mRNS-re. Teht a kt szl DNS molekulban megklnbztethetnk egy rtelmes

(kodogn = kdot generl) szlat, valamint egy rtelmetlen/nma szlat. Az rtelmes szlegy kromoszmn bell sem mindenhol ugyanaz, nha akr gnenknt vltakozik. Az

lvilgban az rtelmes szlak helye s irnya az nem lland, nha meglehets ssze-

visszasgot takar (bra).

15. kp: Az rtelmes DNS szl elhelyezkedse

Csak az egyik DNS szl hordozza az informcit, csak az rdik t mRNS-re.

Aszerint, hogy hol az egyik hol a msik szl rtelmes, a kirs irnya is vltozik. A msols itt

is csak a 3-5 irnyba mkdik, ezrt a kt szlon ellenttes irny a transzkripci. Az brn


16/28



a nyilak irnya mutatja a msols irnyt. A msols a zlddel jellt start helyektl elindulva

a srgval jellt gnszakasz vgig halad. A szrke szakaszok a msols szempontjbl

rdektelenek. Az enzimrendszereknek fel kell ismernie, hogy hol kezdjk el s melyik szlon

kezdjk el a kirst.

16. kp: A kir enzim mkdse vzlatosan

A kp egy tbb fehrje molekulbl ll enzim-komplexet mutat be, ami a DNS

trst vgzi. Elszr sztnyitja a DNS-nek a kt szlt (anlkl, hogy elvgn a szlakat),

majd felismeri az rtelmes szlat, s szpen el kezdi ptgetni az j messenger RNS darabot s

a vgn engedi ki a mr elkszlt szakaszt (sttkk vonal). A kis sttebb kk kalapcsok

az RNS-t felpt a nukleotidok, melyek a DNS-re komplementer mdon rendezdnek. A

komplex tovbb haladsa utn a DNS visszatekeredik ketts spirlba.

17. kp: Kdols prokarita s eukarita sejtekben


17/28



A gnek az elhelyezkedse s kirsa nem egyforma a prokarita s eukarita

sejtekben. A prokaritknl egyszera helyzet, hogy van egy indt hely, s mgtte van egy

trand gn. A bonyolultabb (eukarita) sejtekben, pl. a humn sejtekben ms a helyzet. A

humn DNS nagyon sok felesleges szakaszt tartalmaz. Az trs a teljes szakaszt tviszi

mRNSre. A mRNS nmagval hurkokat kpez, a felesleges szakaszok (intronok) a hurkokba

kerlnek, s ezeket egy enzimrendszer kivgja, a maradk mRNS-rl (exonok)

szintetizldnak a fehrjk.

A kpen lthat, hogy az eukarita gn cskos, azrt ilyen cskos, mert a szksges

fehrjnek az informci darabjai nem linerisan szorosan egyms mellett helyezkednek el,

hanem kzben a vilgosabb srga rszek rtelmetlen s felesleges mdon bekerltek. Ezeket a

felesleges rszeket enzimrendszer kivagdossa. Ez az rtelmetlennek tnkdols feltehetleg

18. kp: Az intronok kivgsnak menete

azrt alakult gy ki, hogy a sejtek vdekezzenek az idegen DNS ellen. Ha a vrusok, vagy ms

krokozk idegen DNS-t hoznak be a sejtekbe, s az el kezdene szaporodni akkor az igen

komoly kvetkezmnyekkel jrna. A vrus betegsgek gy is elg slyosak lehetnek, de ha

nem lenne ez a vdekezmechanizmus, akkor sok idegen DNS is bemsoldna s sok kros

fehrje keletkezne. Ezrt alakult ki a intron-kivgs mechanizmusa, ami, ha el is kszl egy

idegen messenger RNS, akkor azt felaprtja hasznlhatatlan darabokra.

Az exonok a beplrtelmes szakaszok, az intronok a kivagdosott rtelmetlen rszek.

Amikor mr meg van a messenger RNS, akkor az kpes sajt magval a kpen lthat

hurkok kpzsre. Ezzel egy bonyolult tbb hurkos szerkezet jn ltre. Ekkor egy enzim-

rendszer a kilg hurkokat levgja. Ez utn az enzim-rendszer egy msik enzime a

megmaradt rszeket sszekapcsolja. Ez az sszerakott maradk egyenes mRNS kerl

transzlcira. A jobb oldali rszen lv bra alatti lineris rszen a fekete rszek azt jelzik,

hogy mi marad meg a mRNSbl, a /1, /2, /3-as rszek pedig levgsra kerlnek.


18/28



(Plda: Vesznk egy emberi gnt, mondjuk egy fehrje tpus hormont, s szeretnm ezt a

gnt ttenni egy mikrobba, hogy az termelje a gygyszerknt adhat hormont. Ha az egsz

gnt tviszem, akkor a mikroba elkszti az egsz gnnek megfelel fehrjt, mert a

prokaritban nincs intron-kivgs, teht egy sokkal hosszabb, rtelmetlen, hatstalan fehrjt

kapunk vgl. gy nem az emberi DNS szakaszt kell kivenni, hanem meg kell keresni a

megfelel sejtben azt a messenger RNS-t amibl mr kivagdostk a felesleges rszeket, s

ebbl kialaktani, majd mikrobba vinni a tnyleges fehrjt kdol, sokkal rvidebb DNSt.

Mutci

Az rkt anyagon keletkezett ugrsszer vltozs, ami trkldik az utdokra.

(Plda: Ha valaki brrkot kap, mert tl sok kros napsugrzs rte, s a brn elvltozs

keletkezett, azt nem nevezhetjk mutcinak, mert nem adja tovbb az utdjainak. Ahhoz,

hogy ezt tovbb is adja valaki, ahhoz az ivarsejtekben kellene vltozsnak bekvetkeznie.)

A mutci okai: Ezek lehetnek belsokok, ezek a msol rendszer tkletlensgbl

eredhibk (kb. 1 hiba/milli msolt bzis)

Valamint lehetnek klsokok: Ezek a krnyezet mutagn hatsai.

- mutcit okozhatnak klnbzkmiai anyagok. A kmiai anyagok reaglnak a DNS-sel s megvltoztatjk azt.

- Fizikai okok lehetnek a sugrzsok (kozmikus sugrzs, UV sugrzs, kzetekradioaktv sugrzsa, Rntgen). Ezek a nagy energij sugrzsok kmiai reakcikat

idznek ela DNS-en.

19. kp: Egy tipikus mutci


19/28



A nagy energij sugrzsok kpesek arra, hogy kt egyms mellett lv timin bzis

kzt is ltrehoznak egy ketts ktst s gy nem tudnak a szemben lvvel kapcsoldni,

illetve velk szembe mr nem is kerlnek bzisok.

A mutcik fajti

Pontmutcik: Az elbb bemutatott mutci egy pontmutci, egy helyen

bekvetkezett vltozs. Egy bzist, vagy bzisprt rintenek. Ha csak egy bzis vltozik meg:

egy aminosav vltozik meg a fehrjben. (Egy aminosav megvltozsa sokszor semleges

mutci (nincs kimutathat elny/htrnya), de pldul alkalmas arra, hogy a klnbzfajok

evolcis tvolsgt megbecsljk.)

Ha egy bzis bepl, vagy kiesik, akkor az egsz utna kvetkez szakasz rtelmetlen lesz.

(eltoldsi vagy shift mutci)

Kromoszma mutcik: Egy DNS szakaszt rint kiess (delci), thelyezds

(transzpozci), megforduls (inverzi). Sok csernobili katasztrft tlt szemlynek nem

tancsoljk, hogy legyen gyermeke, mert a kromoszmin mikroszkppal is lthat trsek

vannak.

Egyes kromoszmkat rintvltozs a trs, a megkettzds s a szmbli vltozs

(gndzis): XXX, XYY, XXY, Down kr. A Down kr esetben a problmt a kromoszma

tbblet s nem a kromoszma hiny okozza.

Egy normlis frfi kromoszma kplete az XY, de vannak olyan esetek is, amikor egy

frfinak az egy X mellett kt darab Y kromoszmja van. Ezek a szuperfrfiak ltalban

agresszvabbak s alacsony intelligencia hnyadossal rendelkeznek.

Lehet egsz kromoszma szerelvnyt rintmegsokszorozds, pl.: xn (poliploidits).

Ez magasabb rend llnyeknl nem nagyon fordul el. Nvnyeknl viszont egy nagyon

gyakori nemestsi eljrs. Pl. a mezgazdasgban az ipari mretekben termelt nemestett

cukorrpa vetmag ilyen tbbszrs kromoszma szerelvnnyel rendelkezik. Ha ezt a

nvnyt hagyjk felmagzani (ivaros szaporods), akkor abbl a magbl a kvetkez vben

gazdasgilag haszontalan, satnya nvny kel ki.

A mutcis rta, vagy mutcis arny

Ez kt hatsnak az eredje. Eddig arrl volt sz, hogy mi az, ami ltrehozza a mutcit

(kls s bels hatsok). De ezek ellen dolgoznak az gynevezett repair mechanizmusok.

(Reparl mechanizmus, igazbl csak egy magyarosts, valjban a repair = (a bzisok) jraprostst jelenti)


20/28



A repair mechanizmusokolyan enzimrendszerek, amelyek kpesek a DNS hibit kijavtani.

Egy enzim komplex, amely vgighalad a DNS mentn, s a felismert hibkat kijavtja. Egy

enzim komplex azonban csak egy bizonyos hibt (pl. timin dimer, ld. fent) ismer fel s tud

kijavtani. Minl fejlettebb egy faj, annl tbbfle repair enzimrendszere van. Az elsk mr a

prokaritknl is megjelentek.

Teht a mutcis rtt a mutcik s a repair mechanizmusok egyenslya hatrozza

meg. Az egszsges mutcis rta biztostja a fajon belli vltozatossgot, ezzel az evolcis

rugalmassgot. Az egszsges mutcis rta abbl a szempontbl is jelents, hogy ez

szolglja egy faj krnyezethez val alkalmazkodst, fennmaradst. Ha tl nagy a mutcis

rta, akkor sok torzszltt jelenik meg, ami szintn nem j. Ha tl alacsony, akkor meg az

egyedek tlsgosan egyformk, s nem kpesek alkalmazkodni a megvltozott

krnyezethez evolcis htrny.

A repair hatkonysga szablyozs alatt ll, lland a mutcis rta. (klma-hmrsklet).

Pl. vizsgltak egy rovarfajt, ami a trpusokon s a mrskelt gvn egyarnt l. A magasabb

hmrskleten a mutci gyakoribb, emiatt azt vrtk, hogy a mutcis rta a trpuson

nagyobb lesz. De kiderlt, hogy ott a repair mechanizmusok hatkonyabban mkdnek, s az

eredmutcis rta azonos volt mind a kt helyen.

Genetikai szablyoz mechanizmusok

Elszr azt vizsgljuk, hogy az evolci, illetve a termszetes szelekci hogyan irnytja a

genetikai llomny alakulst. Az alapsma, hogy a genomban tallhat gn az meghatroz

egy fehrjt (ami a sejtben jn ltre), ez egy fehrjje meghatrozza az llny egy tulajdon-

sgt, a tulajdonsg meghatrozza az letkpessgt, pontosabban a szaporod kpessgt egy

adott krnyezetben. Ez az letkpessg hat vissza magra a gnre, olyan mdon, hogy a ter-

mszetes szelekci a kevsb letkpeseket nem hagyja fennmaradni. Az letkpesek jobban

el fognak szaporodni, a kevsb letkpeseket pedig a termszetes szelekci ritktja, olyan

mdon, hogy kevesebb utdjuk lesz s elbb-utbb ki fognak halni.

Teht a genom (gnllomny) clja a fennmarads s elszaporods.

Mi kell ehhez? (kt dolog)

1. Az adott gnllomny mindig arra trekszik, hogy a gnllomnyt mindig tkletesenlemsolja, teht nmagt szaportja.

2. Szaportja nmagt, de egyttal a leghatkonyabb mdon igyekszik elterjedni. A g-nek nzk, abbl a szempontbl, hogy k akarnak elszaporodni s ehhez az sszes


21/28



erforrst meg akarjk szerezni maguknak s minl nagyobb egyed szmban akarnak

megjelenni egy adott krnyezeti paramter-kombinciban.

Ha a kt szably ellenttbe kerl egymssal, akkor mindig a msodik rvnyesl, azaz a leg-

hatkonyabban kell elszaporodni s ha a leghatkonyabb elszaporodshoz a genetikai llo-

mnynak meg kell vltozni, akkor vltozzon meg. Ez az alapvetevolcis szablyokon m-

kdik, amit mg Darvin llaptott meg.

20. kp: A termszetes szelekci folyamata

Egyrszt jellemzaz overproduction, azaz mindig tbb utd jn ltre, mint amennyi

az adott populci fenntartshoz szksges, s a rengeteg utd kzl a termszetes szelekci

kivlogatja a legletrevalbbakat. A legletrevalbb az, amelynek a genetikai llomnya az

adott letkrlmnyek kzt a leghatkonyabb.

Azevolcieszerintmkdik, s mr kb.1millird ve irnytja az lvilg fejldst.

Genetikai szablyozs mechanizmus egyetlen egy sejten bell

A genetikai szablyozs arra szolgl, hogy bizonyos gncsoportokat ki s bekapcsoljon.

Olyan, mint egy villanykapcsol, melynek kt llsa van. Azt kapcsolja, hogy a msol en-

zimrendszer egy gncsoportot a DNS-rl trjon messenger RNS-re s azutn fehrjre, vagy

ne rjon t. Egy bites:

tr = igen (bekapcsolt llapot)

Nem r t = nem (kikapcsolt llapot).

Ez az igen egyszeren hangz, de nmagban bonyolult mechanizmust operon szab-

lyozsnak nevezik.


22/28



21. kp: Az operon szablyozs

Operon: Kzsen szablyozott gnek csoportja.

A 21. kpen a hossz vzszintes vonal a DNS-t jelli. Ezen a vonalon bell a kis fg-

gleges vonalak, melyek kis szakaszokra osztjk, ezek a gneket hatroljk.

Elszr a kp jobb oldalt vizsglva az operon rszeit tekintjk t: Van ell egy rvid

gnszakasz, ennek neve promter. Ez utn van egy opertor szakasz, amely szintn egy

rvidke gn. Ennek a kettnek a szablyozsban van szerepe (ezekbl nem lesz fehrje).

Ez utn kvetkeznek a tnylegesen fehrjt kdol gnek, a struktrgnek. Az egsz

mechanizmus ezek trst, illetve t nem rst irnytja.

A struktr gnek kirsnak folyamata:

A kir enzim (srga E beta kpen) vgighalad a DNS mentn s lemsolja messen-

ger RNS-re a struktrgneket. Az enzim onnan tudja, hogy hol kell kezdeni a kirst, hogy

felismeri a promter szakaszt. Az enzim fehrjnek van egy molekula fellete, a DNS prom-

ter szakasznak is van egy molekula fellete, s ez a kettsszeilleszkedik, mint egy ntvny

meg egy ntforma (vagy mint a kulcs s a zr).

A biokmiai molekulk kpesek arra, hogy a molekula felletek sszeilleszkedve m-

retben s alakban (molekula-geometria), s kmiailag (msodlagos kmiai ktsekkel) felis-merjk egymst. Ez elgg szelektv klcsnhats, az adott enzim nem akrhov fog ktdni a


23/28



DNS-en, hanem csakis a promter szakaszra (ami egy rvid, egy-kt tucat bzisnyi hosszs-

g DNS szakasz). Ez egy cmke a DNSen, hogy Itt kell elkezdeni a msolst!, az enzim r-

tapad s ha hagyjk vgigmegy s kirja a messenger RNS-t.

A ha hagyjk, azt jelenti, hogy a szablyozsnak az a lnyege, hogy van egy olyan

fehrjn alapul mechanizmus, ami esetenknt megakadlyozza, hogy az enzim vgighalad-

jon. Ez a regultor fehrjekpes odakapcsoldni a kvetkez, az opertorszakaszhoz, s ez

gy viselkedik, mint egy soromp. Ha leeresztjk a sorompt, akkor nem megy a forgalom,

ha odatapad ez a regultor (vagy ms nven represszor) fehrje, akkor az enzim nem tud v-

gigmenni. Megtallja ugyan a promoter szakaszt s r is ktdik, de nem tud elindulni, mert

ha le van eresztve a soromp, ekkor nincs kirs. Ehhez az kell, hogy ennek a fehrjnek egy

bizonyos molekula fellete felismerje ezt a bizonyos opertor szakaszt, ismt a kt molekula

fellet pontos illeszkedsrl van sz (egy msik ntvny egy msik ntformhoz), teht a

soromp le van engedve s nincs kirs. (A fehrjnek ez az odatapad rsze a kpen kkkel

van jellve.)

Jl lthat, ha a regultor fehrje odaktdik, akkor az egsz folyamatnak nincsen

semmi rtelme, hiszen hiba van enzim, hiba van DNS, a fehrjk nem fognak termeldni.

A szablyozs lnyege a regultor fehrjben van:

22. kp: A regultor fehrje felptse

A regultor fehrjnek ugyanis kt kthelye van. Az als a DNS kthely (ez a rsz

fog odaktni a DNS-nek egy bizonyos szakaszra), a msik kthely (fell, pirossal jellt)

kpes egy msik molekult megktni. Ez a msik molekula az effektor (piros tglalap).

Ennek az a kvetkezmnye, hogy ha az effektor molekula odaktdik, akkor a

regultornak a msik vge is megvltozik, s elveszti a kpessgt, hogy a DNS-hez kap-

csoldjon (az animciban ez a kk szn eltnse volt). gy tbbet nem tudja akadlyoznia kirst, a soromp fel van hzva.


24/28



sszefoglalva: A szablyozs gy mkdik, ha megjelenik ez az effektor molekula,

akkor a sorompt jtsz molekult hatstalantja, ekkor nincs ami meglltsa a kirst.

A folyamat rtelmezse egy fehrjn bell:

A fehrje egy rugalmas anyag, a fehrjelncok hajtogatsa, tekeredse (harmadlagos

szerkezet) megvltoztathat. Ha a szerkezet egyik oldaln jelentkezik egy deforml

hats, akkor a msik oldaln is ltrejhet egy konformci vltozs.

Mikor van rtelme egy ilyen mechanizmusnak?

Plda: Az Escherichia coli blbaktrium laktz operonjt fedeztk fel legelszr

(Nobel-dj!), ami szintn gy mkdik. Itt az volt a lnyeg, hogy a coli tbbfle cukrot

kpes felhasznlni, de ameddig laktz (tejcukor) nincs jelen a rendszerben, addig nem

termeli a laktz hasznostshoz szksges enzimeket. Ha viszont a tptalajba laktzt

adunk, a colirfanyalodik a laktzra.

A laktz hasznostshoz szksges 3 fle enzim. Ez ott van a genetikai llomnyban,

de nem rdik ki, azrt mert le van eresztve a soromp. Ha megjelenik a laktz (ez az ef-

fektor, az brn a piros tglalap jelkpezi) odaktdik a regultor fehrjhez, s ettl

kezdve a regultor fehrje nem akadlyozza a hrom laktz-hasznost enzim kirst.

Ha nem akadlyozza, akkor ez a 3 enzim elkezd termeldni s a colisejtek fel tudjk

venni a laktzt, mert a termelt enzimekkel hasznostani tudjk.

Ha a laktz elfogy, akkor eltnik az effektor (a piros tglalap), akkor a regultor

fehrjnek a kthelye ismt res, visszakapja a DNS-kt kpessgt, visszajn a kk

szn kthely, ismt odaktdik a DNS-en az opertor szakaszra le van eresztve a

soromp, feleslegesen nem termeli ezt a hrom enzimet a sejt, csak akkor ha jelen van a

laktz

Ez az operon mechanizmusnak az egyik lehetsge, ezt pozitv szablyozsnak, (in-

dukci, vagy derepresszi) nevezzk, mert az effektor megjelense enzim-termeldstidz el. Pozitv, mert valami megjelenik, ami eddig nem volt jelen. Indukcinak azrt ne-

vezik, mert egy anyag megjelense enzim-termelst indukl.

Ugyanez a mechanizmus fordtva is mkdik. Ezt negatv szablyozsnak,

(represszinak, inhibcinak) nevezzk, ekkor egy molekula a megjelense lelltja az

enzimeknek a kirst. A regultor fehrjre ktd effektor a msik, a DNS kthelyet

nem megsznteti, hanem ltrehozza.


25/28



Teht ekkor egy effektor molekula megjelense nem elindtja, hanem lelltja az enzi-

mek kirst. Ekkor fordtott a kapcsols. (Fordtva van bektve a kapcsol.) Ha a mole-

kula odaktdik a fehrjre, akkor a kk szn nem eltnik, hanem megjelenik. A repres-

szornl a molekula megjelense leengedi a sorompt, akkor kpes odaktni a DNS-hez a

represszor fehrje, s a kir enzim nem tud vgigmenni.

Mikor van a negatv szablyozsnak rtelme?

A pozitv lnyege az volt, ha jn egy j tpanyag, akkor azt hasznostani kell. A nega-

tv folyamatnak a tltermelsek szablyozsnl van szerepe. Egy lsejt sajt maga sz-

mra nagyon sokfle anyagot termel. Pl. megtermeli az aminosavakat, abbl lesznek fe-

hrjk, vagy megtermeli a nukleotidokat abbl lesz a nukleinsav, vagy megtermeli a zsro-

kat.

Honnan tudja, hogy mikor elg?

A sejtben minden anyagnak van egy elgsges/normlis koncentrcija, ekkor a sejt

anyagcserje optimlisan mkdik. Ha ennl tbb van jelen (mert sokat termelt a sejt,

vagy a tpoldatban van bsgesen), akkor ebbl nem kell tbbet termelni. Ez az anyag

az egyszersg kedvrt nevezzk X-nek egyttal effektor molekulaknt is mkdik. Ha

ez az X nagy koncentrciban van jelen, akkor odaktdik a megfelelregultor fehrj-

hez, a regultor fehrje odaktdik a DNS-en a megfelelopertorhoz s lelltja a X-et

termel enzimek kirst. Teht ez egy negatv visszacsatols, a tltermelst megakad-

lyoz szablyozs. Negatv, mert egy anyag megjelense a meglv enzimtermelst

megsznteti.

Kt helyen is sz volt olyan DNS szakaszokrl,

amire egyes fehrjk szelektven rtapadhatnak. Ha

ez a cmke egy bizonyos bzissorrend, eztkvlrl elg nehz szrevenni, mert kifel a

cukor-foszft lncok llnak, a bzisok befel

fordulnak. Emellett a DNS-en cmkeknt

szolglhatnak jellegzetes hurkos alakzatok. Ezek

gynevezett tkrkp, vagy palindrom DNS

szakaszok, mert egyes rvid szakaszok

bzissorrendje a kt szlon fordtott sorrendbenmegismtldik. A hurkok egy-kt tucatnyi bzis 23. kp: hurkos palindrom

(gn)szakasz


26/28



prbl llnak, ahogy ez a kpen is ltszik. Loklisan ltrejn egy kis kill hurok, ennek

megtallsa a fehrjk szmra sokkal knnyebb, mintha a ketts szl DNS belsejben

kellene megtallni a megfelelbzissorrendet.

Mutcik az operonon

Mi trtnik akkor, ha mutci kvetkezik be az operon valamelyik elemn? Az

operonnak sok eleme van, pontmutci brmelyiken bekvetkezhet.

Melyik gnben, melyik vltozs, milyen hatst okoz:

Mutci a regultor gnen:

A regultor fehrjt tartalmaz kdol gnrl van sz. Ha a regultor gnen trtnik

valami vltozs, akkor a regultor fehrje romlik el. Ha a regultor fehrje elromlott,

akkor a soromp romlott el, azaz vagy llandan nyitva van, vagy llandan zrva van,

s nem tud tkapcsolni az egyik llapotrl a msikra. Teht a szablyozs megsznik,

vagy llandan folyik a kirs s a termels (ha a felsllapotban akad ki, 24. kp), ebben

az esetben a szablyozstl fggetlenl az adott enzimek llandan szablyozatlanul,

b

sgesen termel

dnek, llandan jelen vannak az adott mutns organizmusban.

24. kp: A regultor gnen trtnkrosods nem-ktdllapottal


27/28



25. kp: A regultor gnen trtnkrosods lland ktdssel

Ha a soromp a leengedett llapotban ragad be, akkor ezek az enzimek soha nem

rdnak ki. Ebbe akr bele is pusztulhat az adott sejt, ha egy fontos dolgot nem tud

magnak ellltani. Teht a regultor gnen a szablyozs megsznik s valamelyik

szlssges llapot llandsul.

Mutci az opertor gnen:

Ha itt trtnik egy mutci, akkor a regull fehrje nem tud odaktdni az adott

szakaszhoz, teht a kirs fkezs nlkl, llandan tart. A sorompt nem lehet

leengedni. Ha ez egy termszetben l, evolci ltal rintett organizmussal trtnik,

akkor ez neki nyilvn htrny, hiszen, ha sokat termel valamibl egy adott sejt, amibl

neki nem kellene sokat termelnie, akkor ez neki az evolcis kzdelemben htrny, mert

pazarol, s a pazarl megoldsokat a termszetes szelekci kiszri.

A biotechnolgusok rdeke viszont lehet ms: Pl. egy biotechnolgus azt akarja, hogy

egy adott organizmus egy bizonyos vegyletbl sokat termeljen szmra, akkor neki ez a

vltozs elnys lehet. Teht az adott vltozs rtkt, hogy az pozitv vagy negatv,

mindig az adott krlmnyek hatrozzk meg.


28/28



Mutci a promter gnen:

Ha a promter gnen kvetkezik be vltozs, akkor az azt jelenti, hogy az enzim

rendszer nem tud bekapcsoldni. Nincs trs messenger RNS-re. Ha ltfontossg

anyagrl van sz, akkor ez pusztulst jelent a sejt szmra, mert nem tud megtermelni egy

ltfontossg anyagot. Ha az anyag kevsb ltfontossg, akkor a sejt alkalmazkod

kpessge cskken.

Pl.: Ha a laktz hasznost enzimeket nem tudja termelni egy colibaktrium, akkor az

csak akkor htrny szmra, ha laktz van a tpoldatban. Ha glkzt fogyaszt, akkor nem

htrny.

Struktr gnen bekvetkezmutci:

Ez a szablyozst abszolt nem rinti, hiszen a soromp be s kikapcsolsa ugyangy

mkdik, viszont a struktr gnek kzl az elrontott gnnek a fehrjje hibs lesz. Az egy

csoportban szablyozott gnek kzl egy fehrje nem fog termeldni, illetve hibs

szerkezetlesz.

1 genetikai alapok

Documents