Genetikai kód

A genetikai kód az a kódrendszer, amellyel a sejtek nukleinsavaiban (DNS és RNS) található információ fehérjékké fordítódik le. Az információ dekódolása a riboszómákon zajlik, amely a mRNSek nukleotidsorrendjét hármasával leolvasva, a tRNS-ek segítségével adott sorrendű aminosavláncot hoz létre. A genetikai kód valamennyi élőlényben egyforma, csak a mitokondriumokban és egyes egysejtű élőlényekben tér el kissé.

Az RNS kodonjai

Az egyszálú RNS és a kettős szálú DNS megfelelő nukleobázisainak összehasonlítása

A kód azt határozza meg, hogy a DNS vagy RNS láncában egymás után következő nukleotid-hármasok alapján milyen sorrendben épülnek be az aminosavak a fehérjébe annak szintézise során. A három nukleotid (az úgynevezett kodon) egy aminosavat kódol.

Áttekintés

A szervezet felépítésére vonatkozó információ a DNS-ben található, annak bázissorrendjében, szekvenciájában. A DNS-en elhelyezkedő egyes génekről hírvivő RNS (mRNS) íródik át ami a sejtmagból (eukarióta sejt esetén) kikerül a citoplazmába és a riboszómák az RNS bázissorrendje alapján a tRNSek segítségével összeállítják a szintén láncszerű (a láncot aminosavak alkotják) fehérjéket. A fehérjék határozzák meg, hogy egy sejtnek milyen a felépítése és milyen kémiai reakciók zajlanak le benne.

Felfedezése

Miután Watson és Crick felfedezte a DNS szerkezetét, a következő lépés a sejtek működésének megértésben az volt, hogy a nukleinsavak nukleotid- vagy bázissorrendje hogyan fordítódik le a fehérjék aminosavsorrendjére. Mivel négyfajta nukleotidnak (adenin, guanin, citozin, timin – illetve az RNS-ben timin helyett uracil; rövidítve A, G, C, T és U) 20 aminosavat kell kódolnia, a kód nem állhatott két nukleotidból, mert az csak 16 különböző variációt tesz lehetővé. Feltételezték, hogy egy aminosavat legalább három bázis kódol, amelyek 64-féleképpen tudnak kapcsolódni egymás után. 1958-ban Crick megalkotta a molekuláris biológia centrális dogmáját, a DNS, az RNS és a fehérjék közötti információáramlás teóriáját, amely leírja a genetikai információ áramlását a DNS-től az RNS-ig és a fehérjéig.

1961-ben Crick és munkatársai bebizonyították, hogy a kodon három bázisból áll. Ugyanebben az évben Marshall Nirenberg és Heinrich J. Matthaei sejtmentes transzlációs rendszerben kimutatta, hogy a poliuracilról (melynek szekvenciája UUUUU...) csak fenil-alanint tartalmazó peptidlánc íródik át, vagyis a fenil-alanin kódja UUU. Ezután Severo Ochoa laboratóriumában hasonló módszerrel kiderítették, hogy az AAA lizint kódol, a CCC pedig prolint. A kód többi részét Har Gobind Khorana fejtette meg többféle bázist tartalmazó (pl. ACACAC...) nukleotidláncok segítségével. Tőle függetlenül Nirenberg is sok kódot meghatározott a tRNSek aminosavkötőképességének segítségével. Robert W. Holley a transzfer RNS szerkezetét határozta meg, amely megköti az aminosavakat és az mRNS megfelelő kodonjához kapcsolódik. A három kutató 1968-ban fiziológiai Nobel-díjban részesült.

A kódtábla

Az alábbi táblázatban látható, hogy a DNS-ben az egyes kodonok milyen aminosavnak felelnek meg. RNS esetén a timin (T) uracilra (U) cserélendő. Három kodon, a TAA, TGA és TAG nem kódol aminosavat, hanem megállítja az átírást, ezek az ún. stopkodonok; olyan szerepet játszanak, mint a pont a mondat végén. A stopkodonokat "színük alapján" különböztetik meg.

Az aminosavak kémiai jellege oldalláncuk alapján:

apoláris

poláris

bázikus

savas

(stopkodon)

A genetikai kód

első bázis	második bázis								harmadik bázis
	T		C		A		G
T	TTT	(Phe/F) Fenil-alanin	TCT	(Ser/S) Szerin	TAT	(Tyr/Y) Tirozin	TGT	(Cys/C) Cisztein	T
	TTC		TCC		TAC		TGC		C
	TTA	(Leu/L) Leucin	TCA		TAA	Stop (okker)	TGA	Stop (opál) Egyes prokarióták esetében a (Sec/U) Szelenocisztein aminosavat kódolja.	A
	TTG		TCG		TAG	Stop (borostyán) Egyes prokarióták esetében a (Pyl/O) Pirrolizin aminosavat kódolja.	TGG	(Trp/W) Triptofán	G
C	CTT		CCT	(Pro/P) Prolin	CAT	(His/H) Hisztidin	CGT	(Arg/R) Arginin	T
	CTC		CCC		CAC		CGC		C
	CTA		CCA		CAA	(Gln/Q) Glutamin	CGA		A
	CTG		CCG		CAG		CGG		G
A	ATT	(Ile/I) Izoleucin	ACT	(Thr/T) Treonin	AAT	(Asn/N) Aszparagin	AGT	(Ser/S) Szerin	T
	ATC		ACC		AAC		AGC		C
	ATA		ACA		AAA	(Lys/K) Lizin	AGA	(Arg/R) Arginin	A
	ATG	(Met/M) Metionin	ACG		AAG		AGG		G
G	GTT	(Val/V) Valin	GCT	(Ala/A) Alanin	GAT	(Asp/D) Aszparaginsav	GGT	(Gly/G) Glicin	T
	GTC		GCC		GAC		GGC		C
	GTA		GCA		GAA	(Glu/E) Glutaminsav	GGA		A
	GTG		GCG		GAG		GGG		G

A genetikai kód tulajdonságai

Leolvasási keret

Mivel a DNS (vagy RNS) szekvenciájában semmi sem választja el egymástól a kodonokat (nincsen közöttük "vessző"), nem mindegy honnan kezdik el a leolvasást. Például egy GGGAAACCC sorrendű DNS-szakasz az első bázistól kezdve GGG, AAA és CCC kodonokat tartalmaz (ami glicin-lizin-prolinra íródik át), a másodiktól kezdve az olvasást viszont GGA és AAC-t (glicin-aszparagin), a harmadiktól pedig GAA-ACC-t kapunk, ami glutaminsav-treonint ad. Vagyis minden szekvencia háromféleképpen olvasható le, attól függően, hogy hol kezdjük el. Ez az úgynevezett leolvasási keret (angol kifejezéssel reading frame). Jól látható, hogy ha egy mutáció következtében egy vagy két bázis elvész a szekvenciából (vagy hozzáadódik), az teljesen tönkreteszi az utána következő bázisok leolvasását, mert a leolvasási keret eltolódik.

Start és stopkodonok

A genetikai kód

A leolvasás kezdetét többnyire egy ATG (mRNS-en AUG) kodon jelzi, ami egyben a metionin kódja is. Az AUG jelenléte önmagában nem elég, E. coli-ban az ún. Shine–Dalgarno-szekvencia jelzi, hogy startkodon és nem egyszerű metioninkódoló szakaszról van szó; ezenkívül iniciációs faktorokra is szükség van a leolvasás megkezdésére. Egyes fajok a GUG-t vagy UUG-t használják startkodonként: normálisan ezek valinként vagy leucinként íródnak át, de kezdőkodonként metionint (baktériumokban formilmetionint) jelentenek.

A leolvasás végét a három stopkodon közül valamelyik jelzi. Felfedezőik "színekkel" különböztették meg őket: az UAG borostyán, UGA opál, az UAA okker. A borostyán Harris Bernsteinről kapta a nevét (németül a bernstein borostyánkő), a többieket ezután nevezték el szintén színek alapján.

A három stopkodonból kettő további két aminosavat kódol baktériumokban. Az UGA triplet kódolja a 21. aminosavat a szelenociszteint, mely az egyetlen szeléntartalmú aminosav, emberen is termelik a mitokondirumok, valamint az UAG triplet kódolja 22. aminosavat, a pirrolizint, melyet szintén baktériumok termelnek.

A kód degeneráltsága

A négy különféle bázis három kombinációja összesen 64 lehetőséget jelent, vagyis még a stopkodonokat beleszámítva is jóval többet, mint a húszféle aminosav. Ezért az aminosavak többségét több kodon is kódolja, ezt nevezik a kód degeneráltságának. Az aminosavak kodonjainak első bázisa – a leucin kivételével – mindig egyforma, és az esetek többségében a második is; a harmadik viszont szinte mindig különbözik. Erre mondják, hogy a kód "lötyög", csak az első bázis fix. Létezik olyan feltételezés, hogy az élet kezdetén a kodonok csak két bázisból álltak (esetleg közöttük egy elválasztó "vessző" bázissal) és csak 16 vagy kevesebb aminosavból épültek fel a fehérjék is. Később a kód hárombetűsre változott és az aminosavak száma kibővült.

A kód degeneráltsága azzal jár együtt, hogy a pontmutációk (melyek egy bázis megváltozásával járnak) nem feltétlenül jelennek meg fehérjeszinten. Például ha a GGC megváltozik GGA-ra, a kódolt aminosav ugyanúgy glicin marad. Ezek semleges mutációk és anélkül felhalmozódhatnak a DNS-ben, hogy annak bármilyen külső jele mutatkozna.

Eltérések

Az univerzális genetikai kódtól az első eltérést 1979-ben fedezték fel az emberi mitokondriumokban. Azóta több apró eltérésre derült fény, főleg a mitokondriumban. A Mycoplasma fajok a TGA stopkodont triptofánként fordítják, egyes élesztőgombafajok pedig (pl. a Candida albicans) a CTG-t leucin helyett szerinként olvassák. Mivel a vírusok a gazdaszervezet fehérjeszintetizáló apparátusát használják, az ő kódjuknak is ugyanolyannak kell lennie, akkor is ha a gazdasejté eltér az univerzális kódtól.

Egyes fehérjékben különleges aminosavak találhatók: ezeket a stopkodonok kódolhatják és az mRNS-ben külön szignálszekvencia jelzi, hogy nem megállást jelentenek. Ilyenek a szelenocisztein (kódja a TGA) és a pirrolizin (TAG).

A kevés kivételtől eltekintve az összes szervezet teljesen ugyanazt a genetikai kódot használja, ami a földi élet monofiletikus (közös leszármazási vonalhoz tartozó) eredetére utal.

Források

• Crick, Francis (1988). "Chapter 8: The genetic code". What mad pursuit: a personal view of scientific discovery. New York: Basic Books. pp. 89–101. ISBN 0-465-09138-5.
• Marshall W. Nirenberg and J. Heinrich Matthaei (October 1961). "The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides.". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 47 (10): 1588–1602.
• Pamela K. Mulligan; King, Robert C.; Stansfield, William D. (2006 pages = 608). A dictionary of genetics. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-530761-5
• Maloy S (2003-11-29). "How nonsense mutations got their names". Microbial Genetics Course. San Diego State University
• Lewis, Ricki (2005). Human Genetics: Concepts and Applications (6th ed.). Boston, Mass: McGraw Hill. pp. 227–228. ISBN 0-07-111156-5
• Jukes TH, Osawa S (December 1990). "The genetic code in mitochondria and chloroplasts". Experientia 46 (11–12): 1117–26.
• Santos, M.A.; Tuite, M.F. (1995). "The CUG codon is decoded in vivo as serine and not leucine in Candida albicans". Nucleic Acids Research 23 (9): 1481–6.
• Zhang, Y.; Baranov, P. V.; Atkins, J. F.; Gladyshev, V. N. (2005). "Pyrrolysine and Selenocysteine Use Dissimilar Decoding Strategies". Journal of Biological Chemistry 280 (21): 20740–20751.
• Taylor FJ, Coates D (1989). "The code within the codons". BioSystems 22 (3): 177–87.

Fordítás

• Ez a szócikk részben vagy egészben a Genetic code című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.