A GENETIKAI INFORMÁCIÓ A DNS és RNS
Az élőlények kialakulásának, fennmaradásának, szaporodásának bonyolult folyamatait alapvetően a génekben tárolt információk szabályozzák. Csányi Vilmos szavaival: “Az élő világ, mint egész maga egy genetikai szabályozó rendszer” (Csányi, 1978).
A genetikai szabályozó rendszer főszereplői a nukleinsavak és a fehérjék. A nukleinsavak feladata az örökletes információk tárolása, átadása, a fehérjék szintézisének vezérlése. A fehérjék feladata pedig az élőlény struktúrájának biztosítása, s azoknak a kémiai folyamatoknak az irányítása, amelyeken az élő szervezet működése alapszik, amelyek maghatározzák tulajdonságait, viselkedését.
A nukleinsavak egyik képviselője a dezoxiribonukleinsav, a DNS, amely az információk tárolására, őrzésére szolgál, és a másik a ribonukleinsav, az RNS, amelynek három változata a fehérjeszintézist “intézi”.
“Habár nem tudjuk, hogy a DNS miként szabályozza a fejlődés folyamatát, elegendően biztosak lehetünk abban, hogy szinte az összes olyan információt hordozza, amelyeket a szelekció az ősökben valaha is létrehozott, és amely a fejlődés szabályozásához szükséges” (Maynard Smith, 1986).
A nukleinsavak három alkotórészből épülnek fel: foszforsavból, egy öt szénatomos cukorból és nitrogénbázisból. A cukor és a bázis alkotja a nukleozidot, míg a három együtt nukleotidot. A nukleinsavak tehát polinukleotidok. Felépítésükben kétféle cukor vesz részt. A DNS cukorkomponense a dezoxiribóz, az RNS-é a ribóz. A kettő között az a különbség, hogy az előbbiben egy hidroxilgyökkel kevesebb van. Erre utal a dezoxi előtag. Az öt bázis: adenin, guanin, citozin, timin és uracil. Az első kettő purin származék, a többi pirimidinszármazék. A DNS-ben adenin, guanin, citozin és timin található, az RNS-ben timin helyett uracil szerepel.
7. ábra A nukleotidok felépítésében részt vevő nitrogén bázisok.
8. ábra Polinukleitod lánc
9. ábra A DNS szerkezete és a genetikai információ átadásának menete.
(Forrás: Felsenfield 1985)
A polinukleotid lánc gerincét az egymáshoz észterkötéssel kapcsolódó cukor- és foszforkomponensek alkotják. Az észterkötés kovalens kötés - az atomokat közös elektronpárok tartják össze -, nagyon erős és stabil. A bázisok a pentózegységeken keresztül oldalláncként kapcsolódnak a molekulavázhoz. Sorrendjük, szekvenciájuk a különböző polinukleotidokban természetesen eltérő. A lánc a kapcsolódó bázisokkal alkotja a polinukleotid molekula elsődleges, primer szerkezetét.
A DNS és az RNS primer szerkezete az előbb említett két különbségtől eltekintve azonos. Nagy különbség van azonban a másodlagos, a térszerkezetben. A DNS térszerkezetét J. D. Watson és F. B. C. Crick derítette fel. A modell, amelyet kidolgoztak, a kettős hélix (kettős spirál, duplex) elnevezést kapta. Eszerint a molekula vázát két spirálisan jobbra csavarodott lánc alkotja. A két szálnak “polaritása” van, egymással párhuzamosan, de ellentétes irányban futnak, két egyforma, közös tengelyű csavarvonal mentén. A kettős spirál külső oldalát a foszforsav-cukor lánc alkotja, míg a bázisok befelé fordulnak, úgynevezett hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Ezek a hidrogénhidak gyengék, de a sok híd együtt mégis erős kapcsolatot alakít ki a két lánc között, a spirálisok közötti tér lehetőségei, a bázisok szerkezete és energetikai feltételek miatt a bázisok nem akárhogy kapcsolódhatnak össze: a kisebb térfogatú pirimidinbázis mindig nagyobb térfogatú purinbázishoz kapcsolódik, mégpedig adenin timinhez, citozin guaninhoz. Ilyenformán a két lánc komplementer, az egyik bázissorrendje meghatározza a másikét.
Watson és Crick modellje helyesnek bizonyult, a későbbi kísérletek nem cáfolták meg elképzelésüket. Sajnos azonban ebben az esetben is kiderült, hogy a valóság mindig bonyolultabb, mint ahogy képzeljük. Már Watsonék felfedezése idején rájöttek, hogy a DNS-nek legalább még egy formája van. A B-alak mellett - ez a Watson-féle modell - létezik egy A-alak is, amelyben a bázispároknak más a hajlásszöge, és kifelé el vannak mozdulva. Arra is fény derült, hogy a duplexen, mindkét alakjában, a nukleotid sorrend függvényében jellegzetes hajlatok lehetnek. Ezek alapján egyes DNS-szakaszok kívülről is felismerhetők.
A kutatók más változatot is felfedeztek: olyan spirált, amely a jobbmenetes B-alakkal szemben balmenetes, s amelyben a foszfátcsoportok nem ívben, hanem cikcakkosan helyezkednek el. Ezt az 1979-ben ismertetett változatot az angol zigzag szó kezdőbetűjéről Z-DNS-nek nevezték el. Ebben a kettős spirálban nem egy, hanem két bázispár alkot egy-egységet, s az atomcsoportok többsége a molekula felszínén található. Ennek a szerkezetnek a segítségével könnyebben értelmezhetőek bizonyos jelenségek például a mutációk bizonyos fajtái (mivel a felszínen elhelyezkedő bázisok könnyebben hozzáférhetők a mutagén anyagok számára). A DNS különböző alakjai átalakulhatnak egymásba.
A további kutatások a DNS molekula egyéb furcsaságaira is fényt derítettek. Megfigyelték, hogy vannak olyan láncrészek, amelyekben adott bázissorrendű szakaszt ugyanazon a szálon a kiegészítő bázisokból álló, fordított sorrendű szakasz követ. Ha a kettős spirál szálai elválnak egymástól, a helyileg kialakult bázispárok mindkét szálon hajtűszerű szerkezetet alakítanak ki, s az egész lánc mintegy kereszt alakúvá válik.
A kromoszómákkal kapcsolatban már volt szó a szuperhélixről. Az eddigi vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy a szuperhelicitás a DNS természetes alakja. Ha a két szál a végek összekapcsolódása előtt kissé szétválik, a molekulában fellépő feszültségek az egész láncot elcsavarják, s úgynevezett negatív szuperhelikális szerkezet jön létre. Ezt a folyamatot baktériumokban a DNS-giráz enzim katalizálja. A szuperhelicitás a DNS kifejeződésében, átírásában játszik szerepet.
Az emberi DNS-molekulák hossza 1,4 és 7,3 cm között változik, s az egy sejtben - szomatikus diploid sejtben - található DNS összhossza kb. 2 m.
A DNS-láncnak három “kitüntetett” szakasza van: a két végén található telomérák, végszakaszok, amelyek megakadályozzák a lánc lebomlását; a centroméra, amelyhez a sejtosztódáskor az orsófonalak hozzátapadnak, s amely általában a szál közepén található, és a kezdőpontok (iniciációs zónák), amelyeken megkezdődik a másolás.
A nukleinsavak másik formája az RNS. A vegyi összetételükben meglevő eltérések mellett az különbözteti meg a DNS-től, hogy nem alkot kettős spirált, egyszálú. A ribózban levő aktív hidroxilgyök miatt kémiailag sokkal kevésbé stabil. Valószínűleg ezért alakult ki a “munkamegosztás”: a DNS tárolja, az RNS átírja, átkódolja, szállítja az információt.
Aszerint, hogy milyen szerepet töltenek be az információátvitel folyamatában, a ribonukleinsavaknak három csoportját különböztethetjük meg. Ezek a hírvivő, messenger mRNS, a szállító, transfer tRNS és a riboszomális rRNS (amely a riboszóma szerkezeti elemeihez tartozik). Természetesen szerepüknek megfelelően mind összetételükben, mind szerkezetükben különböznek egymástól. Részletesebben majd a fehérjeszintézis tárgyalásakor foglalkozunk velük.
A fehérjék
A genetikai információs folyamatok másik főszereplői a fehérjék. A genetikai üzenet “jelentései”, ahogy Russel F. Doolitle a Californiai Egyetem biokémia-professzora megállapította: “Ha a DNS az élet tervrajza, akkor ehhez a fehérjék a tégla és a habarcs. De valójában ők jelentik a sejt vagy az élő szervezet összeszerelésekor az állványt és a szerszámokat, sőt ők maguk azok a munkások is, akik a kivitelezést végzik. A gének szolgáltatják az információt, de mi magunk a fehérjéink vagyunk” (Doolitle, 1985).
Minden élőlényben a fehérjék roppant változatosságával találkozunk, nincs két élőlény, amelynek a fehérjéi megegyeznének egymással (kivéve az egypetéjű ikreket). Ez a szinte elképzelhetetlen változatosság annak köszönhető, hogy felépítésükben húszféle aminosav vesz részt. Egy-egy fehérjemolekula több száz, sőt nemegyszer több ezer aminosavból áll, s ha sorrendjük csak egy helyen különbözik, a fehérje már nem ugyanaz. R. L. M. Synge érdekes számítást végzett. Ha csak 12-féle aminosavból építenénk fel háromszáz tagú láncokat, több mint 10300 különböző sorrendet tudnánk megvalósítani. S ha minden láncból csak egyet készítenénk, összes súlyuk 10280 g lenne (a Földé mindössze 61027 g).
A fehérjék a nukleinsavakhoz hasonlóan lineáris polimerek. Alapegységeik, építőköveik az aminosavak. Általános képletük:
Az R szénhidrogén oldalláncot jelöl.
A természetben húszféle aminosav fordul elő.
Fehérjékben előforduló aminosavak és rövidítésük
Aminosav
|
Hárombetűs rövidítés
|
Egybetűs rövidítés
|
Alanin
Arginin
Aszparaginsav
Aszparagin
Cisztein
Fenil-alanin
Glicin
Glutaminsav
Glutamin
Hisztidin
Izo-leucin
Leucin
Lizin
Metionin
Prolin
Szerin
Tirozin
Treonin
Triptofan
Valin
|
Ala
Arg
Asp
Asn
Cys
Phe
Gly
Glu
Gln
His
Ile
Leu
Lys
Met
Pro
Ser
Tyr
Thr
Trp
Val
|
A
R
D
N
C
F
G
E
Q
H
I
L
K
M
P
S
Y
T
W
V
|
A fehérjemolekulában az aminosavak úgynevezett peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz. (A peptidkötés az észterkötéshez hasonló erős, stabil kötés.)
Az egyik aminosav aminocsoportja vízkilépés mellett összekapcsolódik a másik aminosav karboxilcsoportjával. Az aminosavak sorrendje, az aminosav-szekvencia - amely természetesen fehérjénként változik - jelenti a fehérje elsődleges, primer szerkezetét. S ez szabja meg a fehérjék minden lényeges tulajdonságát meghatározó másodlagos, harmadlagos szerkezetet.
A fehérjemolekulákban is létrejönnek hidrogénkötések, mégpedig az egyik peptidegység NH-csoportja és a másik peptidegység CO-csoportja között, és spirális szerkezetet alakítanak ki. Ezt a szerkezetet felfedezőjük, Linus Pauling alfa-hélixnek nevezte el. Pauling állapította meg azt is, hogy a hidrogénkötések más szerkezetet is kialakíthatnak. Egyes fehérjékben láncszakaszok fekszenek egymás mellett párhuzamosan, s ezeket a szakaszokat kötik össze a hidrogénhidak. Ezt a struktúrát béta-lemeznek nevezte el. A kétfajta struktúra alkotja a fehérjék másodlagos, szekunder szerkezetét. Ennek kialakításában az oldalláncok nem vesznek részt, s a szükséges információk az aminosav szekvenciában adottak.
A harmadlagos, tercier szerkezet úgy jön létre, hogy a fehérjemolekulák szabad energiájuk minimalizálása érdekében tovább gyűrődnek, hajtogatódnak. Ebben a folyamatban már az oldalláncok is részt vesznek, köztük alakulnak ki hidrogénkötések s a kénatomot tartalmazó aminosavak kénatomjai között diszulfidkötések.
Az utóbbi években felfedezték a fehérjék térbeli szerkezetének egy köztes szintjét is. Sok fehérjében egy alfa-hélix szakasz két béta-szálat kapcsol össze. Az így létrejött egységet, mely rendszerint 30-150 aminosavat foglal magában doménnak neveztek el. Ha két domén egymás mellett fekszik, a közöttük létrejövő rés más molekulák kötőhelyeként szolgálhat.
Sok fehérjében önálló polipeptidláncok kapcsolódnak egymáshoz egy magasabb szerveződési szintet hozva létre. Ezt a szintet negyedleges, kvaterner szerkezetnek nevezzük.
Minden fehérje következetesen egyetlen meghatározott - csak arra a fehérjére jellemző - térbeli elrendezést vesz fel. Olyat, amely az atomcsoportok közötti vonzásokat maximalizálja, a taszításokat minimalizálja.
Miért foglalkozunk ilyen részletesen a fehérjék szerkezetével? Mert kémiai és fizikai sajátosságaik, a szervezetben betöltött funkciójuk - s így a szervezetnek az általuk meghatározott tulajdonságai, szerkezeti és működésbeli sajátosságai - térbeli szerkezetüktől függenek. A fehérjék működésének közös vonása, hogy szelektív módon hozzákötődnek más molekulákhoz. Ez a kötődés pedig térbeli szerkezetük függvénye. Szerkezet és funkció elválaszthatatlan egymástól.
A fehérjék a szervezetben sokféle szerepet töltenek be. A szerkezeti vagy struktúrafehérjék feladata a szervezet vázának kialakítása. E célból rostokat, rétegeket, csöveket alkotnak. Más fehérjék hírvivőként, jelfogóként (receptorként), ismét mások szabályozóként szerepelnek. Legfontosabb feladatuk azonban a szervezetben lejátszódó kémiai reakciók katalizálása. Ezt a feladatot az enzimek végzik. Ám sokszor azok a fehérjék is részt vállalnak enzimatikus folyamatokban, amelyek “fő állásban” más funkciókat látnak el.
“Általánosan elfogadott tétel, hogy az egyes élőlények különböző tulajdonságai - forma, szerkezet, egyes anyagok termelésének képessége, az állatok jellegzetes viselkedési formái - mind visszavezethetők a szervezetben zajló kémiai reakciókra, vagy reakciósorozatokra. A kémiai reakciók fehérjék irányítása alatt zajlanak le. Csak olyan kémiai reakció megy végbe az élő szervezetben, amelynek végbemeneteléhez szükséges fehérjék ott megtalálhatók” (Csányi, 1978). Ezért állíthatjuk, hogy a szervezetben zajló információs folyamatok legfontosabb, alapvető osztályát azok a folyamatok képezik, amelyek fehérjék szintézisét vezérlik és irányítják.
A fehérjeszintézishez szükséges információkat minden szervezetben - a vírusokat kivéve - a DNS őrzi, s az RNS molekulák írják át, fordítják le.
A genetikai információ
A genetikai információ tárolására a négy nukleotidból, helyesebben N-bázisból álló négybetűs kód szolgál. “A kód absztrakt volta teszi lehetővé, hogy az információ tárolása, felhasználása, megőrzése, megváltoztatástól való védelme az egész élővilágban azonos elveken működő szabályozó folyamatok révén valósuljon meg” (Csányi, 1978).
Négy betűből áll tehát az ábécé: A, G, C, T a DNS-ben, A, G, C, U az RNS-ben, s ezekből állítja össze a Természet a szervezetünket, tulajdonságainkat leíró “szöveget”. Mennyi információt tartalmaz ez a “leírás”? Egy-egy bázis 2 bit információnak felel meg (négy lehetőség). A Drosophila muslica öröklött információja egy L=1,2 cm hosszú DNS molekulában található. A 2 bitet tartalmazó egység hossza l = 1,210-7 m. A muslica öröklött információja tehát:
Az emberé 109 bit. Egy vírusé mindössze 2104 bit. Szabvány oldalt számolva (2000 betű oldalanként) a vírus információja elfér két oldalon, az ember “örökségének” leírásához 100 000 oldalra van szükség (Sexl et al., 1982).
Mivel a természetes fehérjékben húszféle aminosav fordul elő, kódolásukhoz hárombetűs szavakra van szükség. (Mint tudjuk, egybetűs szavakkal mindössze négy, kétbetűs szavakkal tizenhat lehetőség adódna.) Ezeket a hárombetűs szavakat, azaz a három nukleotidból álló egységeket a DNS molekulában tripleteknek, az RNS-ben kodonoknak nevezzük. A kutatóknak ötévi kitartó munkával sikerült megfejteniük a genetikai ábécét, s összeállítaniuk a kódszótárt. (Izgalmasabb volt ez a munka, mint a hieroglifák megfejtése.)
|
