3. I NFORMÁCIÓ ÉS KOMMUNIKÁCIÓ BIOLÓGIAI RENDSZEREKBEN
3.2. Információtárolás és -másolás a molekulák szintjén
Az élő rendszerek működésének mélyebb megértéséhez vezető tudomány, a moleku-láris biológia a múlt század közepén kezdett kibontakozni. Az információk átadásával foglalkozó molekuláris biológiai résztudomány a molekuláris genetika. Ezért ha az élő szervezetek információs folyamatait szeretnénk megismerni, akkor a molekuláris geneti-ka néhány alapösszefüggésének megértésére van szükségünk.
A múlt század közepétől az élőlények tulajdonságait molekuláik jellemzőire, és a molekuláik közötti kölcsönhatásokra vezetjük vissza. Az öröklődés tulajdonságok to-vábbadását, azaz információátadást jelent. A molekuláris biológiai paradigma szerint itt is molekulák állnak a folyamatok hátterében, olyan molekulák, amelyek képesek infor-mációtárolásra és -továbbadásra. Az emberi öröklődésért felelős gének is molekuláris felépítésűek. Mielőtt az örökítőanyag, a gének molekuláris szerkezetét megvizsgálnánk, nézzük meg azt, hogy egyáltalán hogyan lehetséges az információtárolás molekuláris szinten.
Az élő szervezetek szénvegyületekből épülnek fel. A szénvegyületek kisebb moleku-lái szerkezetükben képesek információ tárolására. Minden szénatom négy kötést tud létesíteni, és kézenfekvő, hogy ezeknek a kötéseknek szerepük lehet az információk tárolásában. A megkötött atomok-atomcsoportok térállása például eltérő lehet, és ahol több variáció lehetséges, ott tudjuk, hogy információ is van.
Az egyszerű tejsavmolekulának például két változata létezik, és ez egy bit informá-ciómennyiséget, csupán egy bit eltérést jelent. A kétféle tejsavmolekula az atomcsopor-tok térbeli elhelyezkedésében különbözik egymástól.
4. ábra: Tejsavmolekulák vázmodellje
Ezek a molekulák nagyon hasonlóak, de fedésbe nem hozhatók, egymásnak tükörké-pei. A két kezünk is ilyen szimmetriaviszonyban van egymással. Ezért az ilyen moleku-lákat az emberi kéz görög nevéből királis molekuláknak nevezzük. Ha megfigyeljük a legegyszerűbb királis molekulát, észrevesszük, hogy a benne van egy olyan szénatom, amely körül négy különböző atomcsoport helyezkedik el.
5. ábra: Királis molekula általános szerkezeti modellje
Az ilyen szénatomot kiralitáscentrumnak nevezzük. Nagyobb szénvegyületben per-sze több kiralitáscentrum is lehet. Ha két kiralitáscentrum van a molekulában, akkor a lehetséges variációk száma négy.
6. ábra: Molekula két kiralitáscentrummal
Általánosan elmondhatjuk, hogy ha egy molekulában n kiralitáscentrum van, akkor a molekula változatainak a száma 2n. Ilyenkor a lehetséges molekulaszerkezetek halmazá-nak egy tagja log2 2n, azaz n log2 2, vagyis n bit információmennyiséget jelenthet.
A hat szénatomos gyűrűs szénláncú glükózmolekulában például 5 kiralitáscentrum van, tehát 32 változatban létezhet – említsük meg az érdekesség kedvéért, hogy ezek közül az egyik a természetben található szőlőcukor, az a-D glükóz.
7. ábra: Az -D glükózmolekula térszerkezete
A koleszterinmolekulában 8 kiralitáscentrum van, ebből ki tudjuk számolni, hány változatban létezhet. A gyűrű alakú nagyobb molekulák közé tartozik például a nonen-zim nevű antibiotikum, amelynek 17 aszimmetriacentruma van, azaz 217 = 131 072 változata lehetséges. Ha ez a molekula képes lenne önreprodukcióra, és a másolódás során különböző új változatai is keletkeznének, öröklődő változékonyság jelenne meg. Ha a molekula környezete bizonyos változatokat előnyben létesítene, akkor a különböző változatok közötti szelekciója is felléphetne. Az ilyen véges számú variáci-ós lehetőséget biztosító zárt molekulák azonban az élők határtalan bonyolultságának kódolásához nem megfelelőek.
Az élők végtelen változatossága mögött olyan molekulákat találunk, amelyek nem térszerkezetükben kódolják a genetikai információt. Az örökítő anyag nem a különböző csoportok eltérő térbeli helyzetében, hanem azok sorrendi különbözőségében hordozza az információkat.
A genetikai kódot tehát nem a sztereospecifikusság, hanem a különböző atomcsopor-tok lineáris egymásutánisága képezi.
August Weismann genetikus már a 19. században felismerte, hogy az öröklődés in-formációk továbbadását jelenti. Ezt követően a biológusok keresni kezdték a jelpéldá-nyokat, azaz azokat a molekulákat, amelyekben az élőlények tulajdonságai vannak kó-dolva. A sejt kémiai összetételének megismerését követően sokáig úgy gondolták, hogy az információk generációkról generációkra történő továbbadásáért a fehérjék felelősek.
A nukleinsavakat túl egyszerű összetételűnek tartották ahhoz, hogy az élet sokszínűségé-ért felelős örökítőanyagot lássák bennük. (A fehérjék változatosságát 20-féle molekula okozza, míg a nukleinsavak 6-7 molekulaféleségből épülnek fel.) A Nobel-díjas fizikus, Erwin Schrödinger 1944-ben megjelent, What is Life (Mi az élet) című könyvében fo-galmazta meg azt az állítást, hogy az öröklődésért felelős kémiai anyagnak a
kristályok-hoz hasonlóan stabilnak kell lennie, a kristályokra jellemző monoton periodicitás nél-kül.44 Azt a különleges képződményt, amely ennek a kritériumnak eleget tesz, aperiodi-kus kristálynak nevezte. Ez megnövelte a nukleinsavak esélyeit, és néhány évvel később kiderült: az aperiodikus kristály a sejtmagok kromoszómáiban található óriási nuklein-sav-molekula, a DNS. A múlt század 40-es éveinek második felében Maurice Wilkins és Rosalind Franklin röntgendiffrakciós felvételeket készített a kristályos DNS-ről a londo-ni King's College-ban.
Két másik kutató, Francis Crick és James Watson pedig úgy próbálta meg kitalálni, milyen lehet a DNS szerkezete, hogy molekulamodelleket illesztgetett össze a cambrid-ge-i Cavendish Laboratóriumban. 1953 elején elkészült az elegáns kettős-hélix-modell, amely a modern molekuláris biológia, az élet és a későmodern kori tudomány szimbó-luma lett. A biológia egyik legnagyobb felfedezéséről tudósító rövid – alig több mint 900 szavas – közlemény a Nature című folyóirat 1953. április 25-i számában jelent meg. A közlemény – amely a génkorszak kezdetét jelentette –, az „Egy lehetséges dezoxiribo-nukleinsav-szerkezet (A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid)” címet kapta.45 Így kezdődött: „A dezoxiribonukleinsav (DNS) számára javasolunk egy szerkezetet. A szer-kezet újszerű sajátosságai biológiai szempontból nagyon jelentősek.”
A közleményt a következő figyelemre méltó mondat zárja: „Nem kerülte el a figyel-münket, hogy az általunk hangoztatott specifikus párosodás közvetlenül egy lehetséges másolómechanizmust sugall a genetikai anyag számára.”
Mint látni fogjuk, a modell szerkezetéből valóban logikusan következik a molekula önmásolásának lehetősége, ami további kutatásokra inspirálta a biokémikusokat. Nézzük meg, milyen ennek a nevezetes molekulának a szerkezete, hogyan képes megfelelni az örökítőanyaggal szemben támasztott követelményeknek!
A DNS-molekula kétszálú óriásmolekula (makromolekula). A két szál gerincét egy-máshoz kapcsolódó cukor- és foszforsav-molekulák monoton láncolata alkotja. A „cu-kor” 5 szénatomos, gyűrűs szénhidrát-molekula, a dezoxiribóz, innen a makromolekula neve: dezoxiribonukleinsav.
44 In: Schrödinger, Erwin: Válogatott tanulmányok. Budapest, Gondolat, 1970.
45 Watson, J. D.–Crick, F. H. C.: A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid. In: Nature, April 25. 1953, London.
8. ábra: A dezoxiribóz-molekula térszerkezete46
A cukormolekulákat foszforsav-molekulák kapcsolják össze hosszú lánccá. Minden cukormolekulához kapcsolódik egy-egy – szintén gyűrűs – nitrogéntartalmú úgynevezett nukleotidbázis is.
9. ábra: Nukleotidbázisok
46 Az ábra a Watson és Crick eredeti közleményében (A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid. In: Nature, April 25. 1953, London) szereplő rajz.
A két szál ezeken a bázisokon keresztül kapcsolódik össze, hélix-, azaz csavarmenet-szerűen egymás köré tekerve. A bázisokat egymással a cukor-foszforsav lánc kötéseinél egy nagyságrenddel gyengébb, ún. hidrogénkötések kapcsolják össze, a cipzárhoz hason-lóan. A bázisok négyfélék: adenin, guanin, timin és citozin. Közülük kettő nagyobb, kettő kisebb méretű. A lánc tökéletes illeszkedésének feltétele, hogy kis bázishoz mindig nagy kapcsolódjék a túloldalon. Kettős illeszkedés történik, mivel nemcsak a bázis mére-te, hanem a hidrogénkötés „mintázata” is számít. Ennek alapján a nagy adenin mindig a kicsi timinnel, a kicsi citozin pedig a nagy guaninnal kapcsolódik. Ezt a folyamatot ne-vezik a genetikusok bázispárosodásnak. Azt mondjuk, hogy a két molekulafél, a két lánc
„komplementer”. Ez azt jelenti, hogy ha a kettős hélix széttekeredik, akkor mindegyik szál mintaként (templát) szolgál, és kiegészül egy újonnan szintetizálódó komplementer szállal, az eredeti DNS-molekula tehát megkettőződik. Az új molekula egyik szála így a régi marad, ezért nevezik a folyamatot szemikonzervatív replikációnak.
10. ábra: A DNS-molekula replikációja
Ez a megkettőződés képezi az élők szaporodásának elemi eseményeit, és így a földön kialakult élet és az evolúció alapját. L. Orgel biokémikus szavai szerint: „ha az élet tör-ténetét visszafelé követjük az időben egészen a kezdetekig, a jellemző vonások fokozato-san eltűnnek, míg végül csupán a kiegészítő bázispárosodás marad.”47
Ha viszont az eredettől, az ősi replikációs mechanizmustól indulunk el, akkor a DNS-ben mint jelpéldányban materializálódott, egyre több ágra bomló információfolyam egyre változatosabb és komplexebb testeken át halad tova az időben.