15.3. A genetikai kódszótár szabályos szerkezete

Miután az összes triplet jelentése azonosításra került, rendezett formában össze lehetett állítani az úgynevezett genetikai kódszótárt. Ennek mára egyezményesé vált formáját a 15.7. ábra illusztrálja.

15.7. ábra: A genetikai kódszótár legelterjedtebb ábrázolási módja

15.7. ábra: A genetikai kódszótár legelterjedtebb ábrázolási módja

Az mRNS-ről lefordításra kerülő tripleteket Sydney Brenner nevezte el az ötvenes évek végén kodonoknak, és később Nirenberg is átvette ezt a mára hivatalossá vált elnevezést. A genetikai kódszótárban 5’→3’ irányban felírt RNS kodonok vannak aminosavakhoz rendelve. Amikor Robert Holley 1964-ben megfejtette az első tRNS szekvenciát, ami az élesztő alanint hordozó tRNS-ének szekvenciája volt, azonnal felhívta Nirenberg figyelmét arra, hogy a szekvenciában azonosította azt a bázishármast, az antikodont, ami antiparallel elrendezésben bázispárosodásra képes a Nirenberg által megfejtett alanin kodonokkal.

Francis Crick adapter hipotézise tehát a bázishármasokon keresztüli kiolvasás tekintetében is igazolódott.

A kódszótárban az egyes kodonok az alábbi logika szerint vannak egyetlen nagy négyzetbe rendezve. Az első két kodon pozíció alapján a nagy négyzet 4 x 4 = 16 kisebb négyzetre van felosztva. A négyzetek az első kodon pozíció szerint sorokba vannak rendezve, felülről lefelé U,C,A,G sorrendben. Az első sort alkotó négy négyzetben tehát csupa olyan kodon van, amelynek 5’ pozíciójában a bázis uracil, a másodikban citozin, a harmadikban adenin, a negyedikben guanin.

A négyzetek a második kodon pozíció alapján szintén U,C,A,G sorrendben oszlopokba vannak rendezve. Az első oszlopban tehát olyan négyzetek vannak, amelyekben a kodonok második pozíciójában uracil szerepel.

A 16 kis négyzet mindegyikébe 4 kodon jut, amelyek a harmadik pozícióban szereplő bázis alapján egymás alá rendeződnek.

A kódszótárt szemlélve azonnal szembeötlő, hogy az egyszerű matematikai eljárás szerint mátrixba rendezett kodonokhoz tartozó aminosavak elrendeződése nem véletlenszerű. Ennek egyrészt molekulaszerkezeti, másrészt evolúciós magyarázata van. A molekulaszerkezeti ok a kodon-antikodon kapcsolat sajátosságait jelenti, míg az evolúciós ok az ilyen elrendeződés adaptív jellegével magyarázható. Mindkettőt részletesebben is kifejtjük.

15.3.1. A kodon-aminosav hozzárendelés szabályossága

A kódszótár alapján látható, hogy az XYU és XYC kodonok mindig ugyanazt az aminosavat kódolják. Ha tehát két kodon bázis sorrendje csak a harmadik pozícióban tér el egymástól, és a harmadik pozícióban mindkettő pirimidin bázist tartalmaz, akkor ez a két kodon ugyanazt az aminosavat jelenti.

Analóg módon, de két kivétellel, ez az XYA és XYG kodonokra is igaz. Tehát ha két kodon bázissorrendje csak a harmadik pozícióban tér el egymástól, és ebben a pozícióban mindkettő purin bázist tartalmaz, akkor a két kodon ugyanazt az aminosavat jelenti, kivéve az AU(G/A), Met/Ile és az UG(G/A), Trp/Stop esetet.

Ismert tény, hogy a DNS-ben bekövetkező báziscserés mutációk nem azonos gyakoriságúak. Sokkal gyakoribb, hogy egy pirimidin a másik pirimidinre cserélődjön, mint hogy purinra, illetve hogy egy purin a másik purinra cserélődjön, minthogy pirimidinre. A tranzíció (primidin csere pirimidinre, ill. purin purinra) sokkal gyakoribb, mint a transzverzió (pirimidin csere purinra vagy purin pirimidinre).

Vegyük észre, hogy amikor a DNS-ben egy olyan pozícióban történik egy T→C, vagy C→T csere, amelyik az mRNS kodon 3. pozícióját érinti, akkor az nem okoz aminosav cserét a fehérjében, vagyis csendes mutáció lesz. Az említett két kivétellel igaz ez a 3. kodont érintő A→G és G→A mutációkra is. Ha véletlenszerűen lettek volna rögzítve a kodon-aminosav párok, akkor sokkal nagyobb gyakorisággal okozna egy ilyen pontmutáció aminosav cserét.

A 16 kis négyzet közül 8 olyan van, amelyben csak egyféle aminosav szerepel. Ezek esetében a 3. kodon pozícióban bármilyen báziscsere történhet a DNS-ben, az csendes mutáció lesz. A maradék 8 négyzet esetében a négyzeten belül legfeljebb 2 aminosav van, amelyek kémiai karaktere az esetek többségében hasonló (pl. Asp/Glu; Leu/Phe, His/Gln). Tehát a 3. kodon pozíciót érintő mutáció vagy nem okoz aminosav cserét, vagy a csere egy hasonló kémiai karakterű aminosavra történik. A kódszótárban szereplő rendezett aminosav kiosztás tehát az aminosavak kémiai karaktere szerint is mutat egyfajta szabályosságot.

Erre egy további példa, hogy azok az aminosavak is többnyire hasonlítanak egymáshoz kémiailag, amelyek kodonja csak az első kodon pozícióban tér el egymástól. Ezt a kódszótár térbeli ábrázolásán könnyebb felismerni (lásd 15.8. ábra), ahol a függőleges irányban lévő aminosavak tartoznak ilyen értelemben össze.

A csak az első kodon pozíciójukban eltérő aminosavak az alábbi csoportokat alkotják: (F,L,I,V) és (L,M,V), amelyek apolárosak; (S,P,T,A), amelyek kisméretűek, (Y,H,N,D) és (Q,K,E) amelyek polárosak. Csak a negyedik csoportban (C,R,S,G) illetve (W,R,G) nincs közös tulajdonsága a benne szereplő aminosavaknak.

Csak a második kodon pozíciót érintő báziscserék esetében nem fedezhető fel ilyen határozott trend.

15.8. ábra: A kódszótár térben ábrázolva

15.8. ábra: A kódszótár térben ábrázolva

Egy, a hagyományostól eltérő kodon elrendezéssel látványosan illusztrálható, hogy azok a kodonok, amelyek egyetlen báziscserével egymásba alakíthatók, a random kiosztáshoz képest jóval nagyobb arányban azonos, vagy hasonló fizikokémiai karakterű aminosavat jelentenek (lásd 15.9. ábra).

15.9. ábra: A kódszótárban az egyes kodonok nem random módon vannak aminosavakhoz rendelve, a hasonló szekvenciájú kodonok többnyire hasonló tulajdonságú aminosavat kódolnak

15.9. ábra: A kódszótárban az egyes kodonok nem random módon vannak aminosavakhoz rendelve, a hasonló szekvenciájú kodonok többnyire hasonló tulajdonságú aminosavat kódolnak

A genetikai kód tehát úgy evolválódott, hogy minimalizálja a pontmutációk hatását.

15.3.2. Degenerált kód és lötyögő kodon-antikodon kapcsolat

A genetikai kóddal kapcsolatos legelső elméleti megfontolások is világossá tették, hogy 20 aminosav kódolásához legalább 3 nukleinsav egység kell. A tripletek viszont 4 x 4 x 4 = 64 kombinációt tesznek lehetővé a 20 aminosav számára. Az elméleti alapú kódfejtők ma már nehezen érthető okból azon ügyködtek, hogy hogyan lehet olyan egy-egy értelmű kódolási/kiolvasási szabályt alkotni, amelyben a 64 kodonból csak 20 lesz értelmes, míg 44 nem jelent aminosavat.

Ahogyan azt a genetikai kódszótár is mutatja, a valóságban 61 aminosavat jelentő kodon és 3 stop kodon van. Értelmes kodonból tehát több mint háromszor annyi van, mint aminosavból.

Ahogy ezt fentebb már említettük, a genetikai kód tehát matematikai kifejezéssel élve degenerált.

Fontos ugyanakkor kiemelni, a genetikai kód ugyanakkor egyértelmű is, azaz minden kodonhoz csak egyetlen aminosav tartozik (kivéve a stop kodonokat, melyekhez egy sem).

Az egyes aminosavakhoz tartozó kodonok számát a 15.4. táblázat foglalja össze.

15.4. táblázat: Az egyes aminosavakhoz tartozó kodonok száma

15.4. táblázat: Az egyes aminosavakhoz tartozó kodonok száma

Tehát 9 aminosavnak 2 kodonja van, 5-nek 4, 3-nak 6, 2-nek 1, és 1-nek 3. A 6 kodonnal bíró aminosavakat leszámítva, amikor egy aminosavat több kodon határoz meg, akkor a kodonok közötti különbség a harmadik nukleotid pozícióban van. Hat azonos jelentésű kodon esetében a különbség természetesen egynél több pozíciót kell, hogy érintsen.

Mint említettük, a nem véletlenszerű kodon-aminosav kiosztás részben molekulaszerkezeti okokra vezethető vissza. Ez az ok a kodon-antikodon kapcsolatban keresendő.

Az mRNS-en lévő kodon a tRNS-en lévő antikodonnal lép kapcsolatba. A komplexben a két nukleinsav lánc antiparallel elrendeződésű.

Első ránézésre a legegyszerűbb dekódolási rendszer az lenne, ha a 61 kodont 61 antikodon olvasná ki, és mindhárom kodon pozícióban Watson-Crick bázispárok jönnének létre (lásd 15.10. ábra).

15.10. ábra: A tRNS vázlatos szerkezete (lóhere alak)

15.10. ábra: A tRNS vázlatos szerkezete (lóhere alak)

Ekkor a 61 értelmes kodonnak megfelelően 61-féle antikodon, vagyis legalább ennyiféle tRNS kellene. Csakhogy hamar kiderült, hogy a kólibaktériumban vagy az élesztőben ennél jóval kevesebb tRNS van.

Ebből azonnal következett, hogy a kiolvasás alapja nem lehet mindhárom pozíció tekintetében tökéletes Watson-Crick bázispárosodás. Amikor Robert Holley1964-ben azonosította az élesztő alanin-tRNS-ében az antikodont, érdekes tényre hívta fel a figyelmet. Arra, hogy az antikodon 3. és 2. pozíciója (C illetve G) hagyományos Watson-Crick bázispárt tud képezni az alanin kodonok 1. és 2. pozíciójával (G illetve C), míg az antikodon első, tehát 5’ pozíciójában egy módosult bázis, inozin van.

A fenti ismeretek alapján Francis Crick 1966-ban közölte a „lötyögő (wobbling) kodon-antikodon kapcsolat” hipotézisét. Ebben feltételezte, hogy az első két kodon pozíció minden esetben hagyományos Watson-Crick bázispárt képez, míg a 3. pozícióban az ott lévő bázistól függően eltérő megoldások lehetnek, amelyek miatt 61-nél kevesebb antikodon is elég lehet a 61 kodon egyértelmű kiolvasásához.

A kodon harmadik pozícióját érintő lötyögő kapcsolatban megengedett bázispárosodásokat a 15.11. ábra foglalja össze.

Tehát ha az antikodon első pozíciójában C van, az csak G-t, ha A van, akkor az csak U-t ismer fel a kodonon.

Ha az antikodon első pozíciójában U van, az A-t és G-t, ha G van, akkor az C-t és U-t ismer fel. (Ez utóbbi magyarázza, miért lehetnek univerzálisan azonos jelentésűek az XYC és XYU kodonok).

Végül, ha az antikodon első pozíciójában I (inozin) van, akkor az U-t, C-t és A-t ismer fel.

Összefoglalva: az első két kodon pozíció mindig tökéletes bázispárosodásban van. Az első antikodon pozíció határozza meg, hogy hányféle bázis lehet a harmadik kodon pozícióban, tehát hányféle kodont ismer fel az antikodon.

Ebből következik, hogy ha egy aminosavnak több kodonja van, akkor azok, amelyek az első két kodon pozícióban különböznek, mindenképpen különböző tRNS-t igényelnek (3 ilyen aminosav van, a Leu, a Ser, és az Arg).

15.11. ábra: Megengedett bázispárosodások

15.11. ábra: Megengedett bázispárosodások

A kódszótár és a lötyögés szabályi alapján kiszámolható, hogy 32 tRNS elegendő lehet a 61 értelmes kodon lefordításához.

A lötyögő kodon-antikodon kapcsolat legalább két okból előnyösebb, mint ha mindhárom pozícióban Watson-Crick bázispárok lennének. Az egyik, hogy ezáltal jóval kevesebb fajta tRNS-t kell a sejtnek kódolni, és előállítani. A másik, hogy amennyiben mindhárom pozícióban Watson-Crick bázispárosodás lenne, úgy nagyon nagy stabilitási különbségek lennének az egyes kodon-antikodon párok között, ami negatívan befolyásolhatná a transzláció sebességét (a túl erős párok túl lassan válnának szét).

A harmadik kodon pozíció természetesen hozzájárul a specifitáshoz, de lötyögése kiegyenlítheti az egyes kodon-antikodon kapcsolatok affinitását. A túl erős kapcsolatokat gyengítve, gyorsíthatja a disszociációt, így növelve a transzláció sebességét.

A lötyögés ellenére a kodon-antikodon kapcsolat egyértelmű abban az értelemben, hogy minden kodont csak egyféle, annak megfelelő aminosavat szállító tRNS ismer fel.