AZ ÉLET ALAPKÉRDÉSEI

Gén, ember, társadalom

I. N. Smeretle

BBS-INFO Kiadó, 2012.

Papírkönyv ISBN 978-963-9425-78-1

E-book ISBN 978-963-9425-94-1

Kiadja a BBS-INFO Kft.
1630 Budapest, Pf. 21.

A könyv tartalma a szerző magánvéleményét tükrözi, az abban foglaltakért a kiadó felelősséget nem vállal, az nem mindenben képezi a kiadó álláspontját.

A könyv megírásakor a szerző és a kiadó a lehető legnagyobb gondossággal járt el. Ennek ellenére, mint minden könyvben, ebben is előfordulhatnak hibák. Az ezen hibákból eredő esetleges károkért sem a szerző, sem a kiadó semmiféle felelősséggel nem tartozik.

1. Egy fontos előszó

„Új világnak új dalaival”
Ady Endre

Az ezredfordulón fejeződött be az ember genetikai anyagában (genomjában) levő kémiai jelek sorrendjének (szekvenciájának) megállapítása. Ez egy minden eddiginél nagyobb tudományos forradalmat indított meg, kihatással a biológiai tudományok mindegyikére. Kissé másként kezdjük látni az embert, mint biológiai lényt, és újra kell gondolnunk az ember társadalmi szerepét is: milyen összefüggés van a biológiai lét, a genetika és a társadalmi szerep között. Erre próbálok választ adni, még ha ez a válasz nem is lesz teljes.

Ebben a könyvben nincsenek saját kísérletek vagy vizsgálatok. Következtetéseimet igyekszem nem érzelmekre, hanem tényekre alapozni, de ezek a tények mások kutatásaiból vagy megállapításaiból származnak. Ténynek azt tekintem, amit a tudomány fő áramlata is annak fogad el. Azt viszont tudományellenes tévhitnek tartom, hogy a gonosz tudósok eltitkolnák a nekik nem tetsző tényeket, sőt dokumentumokat és leleteket semmisítenének meg, vagy dugnának el. A tudománynak valóban vannak vadhajtásai, de megvan az erős önkorrekciós képessége is. A dolog másik oldala, hogy az egyre precízebb vizsgálatok alapján a tudomány egyes részeit néha újraírják, miközben a régi, megcsontosodott vélemények is sokáig tartják magukat. Vannak a bizonyítás szempontjából „puhább és keményebb tudományágak”, logikájuk azonban alapvetően azonos. Ez a munka az újabb tudományos eredményeknek igyekszik utána eredni és összegezni őket.

A biológiai tudományok gyorsan haladnak. A könyvnek lesznek részei, amelyek már a megírás pillanatában kezdenek elavulni, módosulni. Mindenesetre az igazságot keresem, amelyen a jelen esetben a tudományos igazságot értem, és nem jogi vagy másféle igazságokat.

Ha valaki meg akarja tanulni a személyi számítógép használatát, nem kell mindent megtanulnia a számítógépről. Nem kell tudnia, hogy hogyan kap áramot a gép a hálózatról vagy az akkumulátorról. Nem kell tudnia, hogy hogyan készül a fém- vagy műanyag doboz. Nem kell tudnia a szilicium félvezetők és a csipek elkészítését vagy a programozást. Néhány egyszerű, de fontos dologra kell koncentrálnia. Ehhez hasonlóan ebben a munkában sem foglalkozom a sokféle életjelenség leírásával, bármilyen fontosak is legyenek azok, hanem „az élet közepébe” fogunk belevágni. A nehezebb részeket igyekeztem leegyszerűsíteni, néha a tudományosság rovására is. Az egyes fejezetek egymásra épülnek, sorban tessék olvasni, különben a társadalom és a genetika kapcsolatára vonatkozó részek „ha akarom elhiszem, ha akarom nem hiszem” kérdéssé silányodnak. A nehezebbnek talált részeket olvassuk el többször is, szép lassan! A későbbiekben ez meg fog térülni. A legrosszabbul sikerült fejezet: „Agyunk és a gének”. Új gondolatokat pedig a 10.2.2. fejezet tartalmaz.

A könyvet olvasva az élet alapjaitól egyre inkább eljutunk az emberhez és a társadalomhoz. A társadalom csúcsán elhelyezkedő kormányok törvényeket és rendszabályokat hoznak a gazdaság és a társadalom szabályozása végett, ezen kívül azonban a saját törvényei is megvannak ezeknek a területeknek. Ezek a törvények kevésbé feltűnőek, mint a természeti törvények, mivel ideig-óráig megsérthetőek, mígnem dupla erővel vágnak vissza a megsértőre.

Mivel mindannyian társadalomban élünk és küszködünk, a társadalmi kérdésekről folytatott viták érzelmi töltést hordoznak. Évezredes viták mentén fekete-fehér, igen-nem jellegű álláspontok kristályosodtak ki, és szellemi értelemben vett „szekértáborok” alakultak ki és „csontosodtak meg”. A társadalmi jelenségekre adott egyszerű válaszok tömegeket vonzanak mindegyik szekértáborba. A valóság néha valóban egyszerű, máskor viszont bonyolult és nehezen áttekinthető. Amikor itt új és néha nehezen követhető gondolatokkal nyomulok be a szellemi szekértáborok közé, várhatóan minden oldalról zúdulni fognak rám a szellemi lövedékek, különösen azoktól, akik csak itt-ott olvasgattak bele a könyv első részébe. Nem szándékoztam kikerülni a „kényes témákat”, ezért arra számítok, hogy a könyv második része társadalmunk minden csoportjánál „ki fogja verni a biztosítékot”. Nem baj, ha utálni fognak, nem baj, ha nem értenek egyet velem, inkább az a fontos, hogy elkezdjünk az eddigitől eltérő irányban is gondolkodni.

A tudományban nem a konkrét mérési adatokkal szoktak problémákat okozni, hanem az ezekből levont közvetlen, majd egyre áttételesebb következtetések. Írás közben azonban nem valamilyen eszme megtámogatása vezérelt, és nem valamilyen érzelem vagy előítélet, hanem a világ jobb megismerése („sine ira et studio”), még akkor is, ha az eredmény esetleg még magamnak is csalódást okoz. Más szóval: nincsenek olyan tények, amelyeket „szeretek” vagy „nem-szeretek”. Következtetéseim véleménynek számítanak, hiszen biztosan lesznek tévedéseim is. Remélem, hogy nem sok.

2. Az élet alapjai

A Földi Élet egyetlen egészet képez,
de különböző fajok és egyedek nyüzsgésében nyilvánul meg

Az élet fizikai és kémiai alapokon nyugszik, tehát nem mond ellent a fizika és a kémia törvényeinek, és nincs szükség ezeken felül valamilyen pluszra. A mindennapi életben is a természeti törvények határai között mozgunk. Az élőlényeket működtető „életerő” (vis vitalis) elmélete már több száz évvel ezelőtt megdőlt! A dolog másik oldala, hogy amit ezek a természeti törvények megengednek, az valahol, valamikor meg is szokott valósulni.

Az általunk használt eszközök, gépek, műszerek mind emberi gyártmányok, ezért nehéz elfogadnunk a tényt, hogy az élőlények önszerveződő rendszerek, de ehhez a szemlélethez hozzá kell szoknunk! Az emberi társadalom is egy külső segítség nélküli, önszerveződő rendszer, bár szerveződésében az egyes emberek szerepe nem egyforma. A társadalomnak és a gazdasági életnek is megvannak a saját törvényei, de ezek a törvények másféle logika szerint működnek, mint a fizikai vagy kémiai törvényszerűségek.

A struktúrák önszerveződése jól megfigyelhető egy egyszerű példán: amikor foszfolipidet keverünk el vízzel, a sejtmembránhoz hasonló hártyák alakulnak ki. Az egész sejt esetében (pl. növekedésekor) az önszerveződésnek inkább csak a végeredményét látjuk, hogy egy sejtből kettő lesz.

Az élet minden bonyolultsága ellenére is megismerhető. Az ismeretek azonban nem valamilyen tudós szuperfejben gyűlnek össze, hanem az emberiség közkincseként jelennek meg. A valóság akkor kezd nagyon érdekessé válni, ha sikerült már valameddig eljutnunk az ismeretekben és a gondolkodásban.

Környezetünk jelenségei mögött ott vannak az atomok és molekulák (atom-kombinációk), és ezek kölcsönhatásai. A mindennapi élet jelenségeit azonban nem szükséges a molekulák szintjén tárgyalni és magyarázni, ezt nem is tudnánk megtenni. A genetikai anyag esetén azonban egy kicsit más a helyzet, mert megfelelő feltételek mellett egyetlen molekula egyetlen részének megváltozása is óriási hatású lehet, mint például egy influenza világjárvány megindulása. Virtuális beszélgetésünket ezért az atomokkal és a molekulákkal kezdjük. Egy egészen másféle szintet jelent az emberi társadalom, viszont a biológiai alapok nélkül ezt is nehéz megérteni.

2.1. Egy kis alapvető kémia (Ha a suliban megtanultad, ugord át!)

Egy anyagi világ vesz körül minket és magunk is különböző anyagokból állunk. (A szellem, a gondolat világáról később lesz szó.) Az anyag és az energia megfelelő körülmények között átalakulhat egymásba. Ha az anyagot nem hétköznapi, hanem modern fizikai értelemben vesszük, akkor abba az energia is beletartozik.

A Földünkön levő anyagok száznál alig több atom-féleség kombinációiból állnak. Az atomokat még mikroszkóppal sem látjuk, de apró golyócskák formájában könnyen elképzelhetjük őket.

Mindegyik atom egy súlyos atommagból és könnyű elektronhéjból áll (1. kép). A legkisebb atom a hidrogéné, egy elektronnal. A hidrogén-atom súlyát (megközelítőleg) 1-nek vesszük, és ehhez hasonlítjuk a többit. Az atomsúlynak dimenziót is lehet adni, ez a „dalton”.

Száznál valamivel több atomot ismerünk, Mengyelejev rendszerezte őket. Az egyre nagyobb atomokban megnő az atommag és gyarapodik az elektronok száma. A legnagyobb atomok már instabilak.

Az atommag pozitív (elektrosztatikus) töltésű, az elektronok negatívak, az atom egész kifelé semleges, kivéve, ha ez az atom más atomok felé elektront ad le vagy onnan felvesz. Az elektronnak kicsi a tömege, inkább egy „energia-csomagnak” felel meg. Mivel ezt így nehéz elképzelnünk, tekintsük az elektronokat inkább olyan golyócskáknak, amelyek az atommag körül keringenek (1. kép), ahogy a bolygók a Nap körül. Az elektronhéj tömege („súlya”) az atommagéhoz képest elhanyagolható.

Az atomok ritkán maradnak meg önmagukban, molekulákká kapcsolódnak össze. Ha a kapcsolt atomok különbözőek, akkor az ilyen molekulát vegyületnek is nevezhetjük. Az egyik legegyszerűbb vegyület a víz, de előfordulnak ennél milliószorta nagyobb molekulák is. A molekulák aztán még nagyobb egységekké rendeződhetnek, az ilyen „struktúrák” gyakran már szabad szemmel is láthatók, mint pl. a papírlap, radírgumi, haj vagy fésű.

Az atomok kémiai tulajdonságaiért az elektronhéj a felelős. A vegyületek átrendeződésekor energiák szabadulhatnak fel (pl. felmelegedés, robbanás). Ezek az atommagot nem változtatják meg. Az atommag megváltozásánál az előbbihez képest nagyságrendekkel nagyobb energiák szabadulhatnak fel (atombomlás, radioaktivitás és termonukleáris fúzió).

Az abszolút nulla-fokon a molekulák mozdulatlanok, ennél alacsonyabb hőmérséklet nem is létezik. A hő a molekulák mozgását jelenti, magasabb hőmérsékleten a molekulák mozgása is megnő. Szilárd testek esetén ez a mozgás csupán „rángatja” az összetapadó atomokat, de nem képes szétszakítani őket. A másik véglet a gáz-halmazállapot, amikor a molekulák szabadon mozognak a térben, legfeljebb néha ütköznek össze, mint a biliárd-golyók. A két véglet közötti átmenet a folyékony halmazállapot, amikor a hőmozgás a gyengén összetapadó molekulákat egy-egy pillanatra szétválasztja egymástól, de aztán azok másféle kombinációban mindjárt újra összetapadnak. A folyadékban oldott anyagok molekulái a hőmozgás segítségével tovajutnak, diffundálnak. A nem túl nagy molekulák diffúziója nagyon gyors és hatékony, de csak rövid-távon (pl. egy sejt belsejében). Nagyobb távolságok esetén a folyadék-áramlás a sokkal hatékonyabb (pl. vérkeringés).

Az élőlények oldószerként a vizet használják, víz nélkül nincs élet. Víztelen vagy fagyott állapotokat át lehet ugyan vészelni, de az életjelenségek ilyenkor nem működnek. Az élő szervezet szilárd részei között a vízben oldott anyagok közvetítenek. A hőmozgás biztosítja az oldott molekulák „nyüzsgését”, ami szintén az élet előfeltétele.

Az élőlények többféle atomból állnak, amelyek nagyon sokféle molekulává kombinálódnak. Az atomok közül elég öttel megismerkednünk. Fontos a hidrogén (H) és az oxigén (O), továbbá a nitrogén (N) és a foszfor (P). Az élőlények szempontjából alapvető fontosságú még a szén (C). A vizet és a sókat leszámítva az élőlények szén-vegyületekből (más szóval szerves vegyületekből) állnak, a szén képes ugyanis hosszú, stabil „láncokat” kialakítani. A szén-vegyületek közé tartozik a fehérje, a szénhidrát és a zsír, valamint a genetikai anyag (DNS), és még sok más vegyület. A legnagyobbak sok millió atomot tartalmaznak.

A különböző atomok meghatározott arányokban képesek kapcsolódni, vegyülni egymással, hasonlóan a két-karú emberhez, aki két másik ember egy-egy karjába képes belekapaszkodni. Az atomok vegyértékét ezért szemléletesen „karoknak” szoktuk tekinteni. A hidrogén-atomnak csak egyetlen vegyérték-karja van, a nitrogénnek (N) 3 vagy 5, a környezettől függően (lásd fentebb).

A szén-atom (C) négy-vegyértékű („négy-karú”), miáltal láncokat, gyűrűket és elágazásokat is képezhet. Egy erős kémiai kötés (un. kovalens-kötés) kialakulását úgy képzeljük el, hogy két atom mintegy „kezet fog” egymással. (Például ilyen kötések miatt nem szokott elszakadni a cipőfűzőnk.) A molekula akkor lesz stabil, ha atomjainak mindegyik vegyérték-karja le van kötve más atomok karjaival. Az erős kovalens-kötésen kívül gyengébb kötés-féleségek is előfordulnak az atomok és molekulák között. Ezek hatását észleljük a diszkóban vagy a bulin, amikor a kiöntött és beszáradóban levő kóla vagy sör ragadóssá tesz a cipőtalpunkat.

1. ábra: Néhány egyszerű vegyület szerkezete: fent a vegyérték-vonalak feltüntetésével, alul pedig egyszerűsített írásmóddal, ahol nem tüntettük fel az összes vegyérték-kart. (Ellenőrizd, hogy stimmelnek-e a vegyértékek!)

Egyes vegyületek (savak, lúgok, sók) vizes oldatban szeretnek oly módon szétválni, hogy egyik részük pozitív-, a másik pedig negatív töltést kap. Az ilyen „molekula-részeket” ionoknak („vándoroknak”) nevezzük. Az ionok körül a víz-molekulák mozgékonysága csökken, ezt a víz-réteget hidrát-buroknak mondjuk.

A konyhasó (NaCl) molekula vizes oldatban Na+ és Cl– (klorid) ionokra esik szét (disszociál). Mivel a pozitív és a negatív töltések vonzzák egymást, találkozáskor összetapadnak, de aztán újra szétválnak: más szóval dinamikus egyensúlyban vannak. Ugyanígy disszociál a sósav is (HCl). Annál savasabb karakterű egy vegyület, minél több hidrogén-iont (H+) ad le az oldatban. A lúgosság (pl. nátronlúg, NaOH) a disszociálás során keletkező hidroxil-ionok (OH–) koncentrációjától függ. A nagyméretű molekuláknak több töltésük is lehet, sőt, egy molekula egyszerre tartalmazhat pozitív és negatív töltést is.

2.2. Egy kis biokémia (Ha tudod, ugord át!)

A biokémia bennünk van! Az élethez sokféle molekula szükséges, de az élet alapjait megvizsgálva két vegyület-csoport emelkedik ki, a fehérje és a DNS.

A fehérjék nagyméretű molekulák, amelyek kisebb molekuláknak, az aminosavaknak kapcsolódásával (2. ábra) keletkeznek sejtjeinkben. Úgy is mondhatjuk, hogy a fehérjék „építőkövei” az aminosavak. Nevük onnan származik, hogy mindegyikük tartalmaz egy (enyhén lúgos) amino-csoportot (-NH2) és egy (savas) karboxil-csoportot (-COOH) (2. kép).

A valóságot kissé leegyszerűsítve úgy mondhatjuk, hogy fehérjéinkben 20-féle aminosav fordul elő (lásd 3.7. fejezet), mégpedig különböző gyakorisággal és sorrendben. Az aminosavak oldalláncainak természete határozza meg a fehérje felcsavarodását és a tulajdonságait is.

Az aminosav-sorrendet variálva a természet egy gyurma-szerű anyaghoz jutott, amelyből szinte mindenféle forma kialakítható, a formák pedig együtt járnak egy-egy funkcióval, pl. enzim-aktivitással vagy más molekulák „felismerésével”. Ezt a „felismerést” szelektív megkötésnek kell elképzelnünk, más szóval valamelyik fehérje csak egy bizonyos másik molekula iránt „tapadós”, csakis azzal reagál.

Külön kell szólnunk az enzimekről, amelyek nagy többsége fehérje. Az enzimek katalizátorként működnek, ami azt jelenti, hogy felgyorsítanak bizonyos kémiai folyamatokat, sőt a legtöbb ilyen reakció meg sem történhetne nélkülük. Tekintsük őket apró, szorgalmas „hangyáknak”. Az enzimek közreműködésével az anyagcsere-folyamatok nem véletlenszerűen, hanem szabályozottan mennek végbe. Az enzimeket ui. az anyagcserében résztvevő kisebb molekulák szabályozni képesek.

A fehérjék mellett a másik legfontosabb molekula a dezoxiribonukleinsav, röviden a DNS. Ez még a fehérjénél is sokkal nagyobb méretű molekula és alapszerkezete is más.

2. ábra: Az aminosavak között víz kilépésével (téglalapban) kovalens (erős) kötések alakulhatnak ki, ezek az un. peptid-kötések. Nagyobb számú aminosav összekapcsolódásával alakulnak ki a polipeptidek, más néven a fehérjék. A glicin és az alanin két egyszerű aminosavnak a neve.

A DNS elvileg hosszú láncokká húzható ki. A láncot alkotó „gerincben” kétféle molekula váltakozik egymással: a foszfát (foszforsav) és egy gyűrű-szerű cukor molekula, a dezoxi-ribóz. A „dezoxi” azt jelenti, hogy a ribózhoz képest egy oxigén-atommal kevesebbet tartalmaz. A foszfát és a dezoxi-ribóz egy víz-molekula kilépésével kapcsolódik össze.

DNS-nek olyan részei is vannak, amelyek nem vesznek részt a lánc kialakításában, hanem mintegy „lelógnak” mindenegyes dezoxi-ribózról. Ezeket kémiai nyelvezettel nukleotid bázisoknak hívjuk (bázis = lúgos anyag). Informatikai szempontból ezek négyféle, kémiai „jelet” szolgáltatnak az öröklődés számára. Ezekkel a „jelekkel” sokat foglalkozunk még, de csak kezdőbetűiket tüntetjük fel, képletüket és kémiájukat nem tárgyaljuk, átugrunk rajtuk.

2.3. A kémiától a biológiáig

A felfedezések örökké az emberiségé maradnak,
de a hülyeség is örökéletű, mert újratermelődik!

A fehérjékről elmondottak alapján úgy tűnhet, hogy az élet teljes egészében a fehérjéktől függ. Egy nagyon fontos dolgot azonban még a fehérjék sem tudnak: nem tudják „megjegyezni”, hogy újratermelődésük során az egyes aminosavaknak milyen sorrendben kell összekapcsolódniuk. Az ehhez szükséges információt a genetikai anyag, a DNS (dezoxiribonukleinsav) hordozza. Ez az anyag megy át az osztódó sejt utódaira, illetve a szülőről a gyerekre. Egy adott sejtben vagy élőlényben található DNS összességét ebben az írásban genomnak nevezzük. (Van azonban aki a gének összességét tekinti genomnak.) A genom átfogó, számítógépes vizsgálatával foglalkozik a genomika. A fehérjét kódoló DNS összessége az exom, ami nem teljesen azonos a gének összességével.

Fehérje tehát nem keletkezhet genetikai információ nélkül, ugyanakkor azonban a DNS működtetéséhez is (sokféle) fehérjére van szükség. A DNS és a fehérjék sokrétű kölcsönhatásban vannak egymással. A sejtben a DNS nem képes „legyártani” a fehérjét, csupán a tervrajzot adja meg a „gyártási” folyamathoz, más szóval: a fehérjét a DNS kódolja. Semmilyen más molekulának nincs olyan központi szerepe a sejtben, mint a DNS-nek. Ezt a rendszert aztán el kell látnunk energiával (ATP formájában) és körülhatárolnunk sejtmembránnal. Mindez egy olyan környezetben játszódik le, amely térben és időben változik, néha lassan, néha viszont drámai gyorsasággal.

Mendel volt az, aki észrevette, hogy a tulajdonságok nem folyamatosan, hanem valamiféle „csomagok” (gének) formájában örökítődnek át a következő generációra. A későbbi kutatások során a géneket egy-egy DNS-szakasszal azonosították. A legegyszerűbb esetben egyetlen gén, egyetlen tulajdonságot határoz meg; a legtöbb esetben azonban egyszerre több gén együttese felelős a tulajdonságokért.

3. ábra: A fenti vázlaton egy új molekula jelent meg, az RNS (ribonukleinsav), amely összetételében nagyon hasonlít a DNS-re. Az RNS egyik fajtája a messenger (messzendzser = küldönc, hírvivő, hírnök), ez teremt kapcsolatot a DNS és a fehérje között.

A DNS – információ-tartalma miatt – közvetve vagy közvetlenül minden életjelenséggel kapcsolatban van. Amikor a következőkben megvizsgáljuk a DNS szerkezetét és működését, az élet közepébe „utazunk”. De hogyan jutunk el a DNS-molekulától a tulajdonságig? Nézzük meg először ennek egyszerűsített vázlatát! (3. ábra).

Háromféle információs makromolekula létezik: a DNS, az RNS és a fehérje. A genetikai információ átadása is ugyanebben az irányban történik. Ez az életnek egy annyira alapvető folyamata, hogy elnevezték centrális dogmának. Később rájöttek, hogy az RNS-ről a DNS-re (mintegy visszafelé) is történhet információ átadás, és a centrális dogmát ennek megfelelően módosították. Mindenesetre a fehérjéről sohasem jut át információ a nukleinsavakra, tehát a DNS-re vagy az RNS-re. A centrális dogmát az ábra baloldali része mutatja, ezt egészíti ki alul a „tulajdonság”.

A 3. ábra baloldali oszlopa a genetikai információ átadásának általános sémáját mutatja, míg a jobboldali oszlop az általános sémán belüli lehető legegyszerűbb esetet mutatja be. A magasabbrendű élőlényeknél azonban olyan sok bonyolító tényező fordul elő, hogy ez a legegyszerűbb séma a valóságban ritka kivételnek számít. Az ábrát, fontossága miatt érdemes megjegyeznünk, a későbbiekben pedig figyeljünk arra, hogy az olvasásnál az ábrának éppen melyik „emeletén” járunk!

3. Az információtól a genetikáig

3.1. Az információ és fajtái

A genetikai információ digitalizált. A digitek (jelek) az információ legegyszerűbb összetevői. A digitalizált információ különféle formái rendkívül fontosak az ember és a társadalom számára, érdemes őket összehasonlítanunk.

A genetikai információ az élet keletkezésével majdnem egyidejűleg alakult ki. Jóval később, az emberiség megjelenésekor fejlődött ki a beszélt nyelv. Ezt követte ennek írásos rögzítése, majd a számítógép nyelve, amely a minimálisan szükséges két digitet használja (0 és 1), de ezzel is jól boldogul. Amilyen hatalmas jelentősége van a beszédnek, írásnak és a számítógépnek a fejlett emberi társadalomban, ugyanúgy nélkülözhetetlen a genetikai információ az élővilágban.

A fenti információs rendszereknek van néhány közös tulajdonságuk. Ha egy gondolat-kísérletben a digiteket berakjuk egy zsákba, és jól összerázzuk, akkor ebből a káoszból, rendezetlenségből nem lehetne kiszedni semmilyen információt. A jeleknek tehát meghatározott sorrendbe (szekvencia) kell rendeződniük, fel kell fűznünk őket valamilyen hordozóra. Beszédünkben az idő haladása biztosítja a jelek egymásutánját, az írásnál pedig a papíron való elhelyezkedés. A genetikai információnál a jelek egy vékony (molekuláris méretű) szálra vannak erősítve. A számítógépben (Winchester, illetve CD) a jelek koncentrikus körökben, illetve csigavonalban helyezkednek el a szilárd hordozón.

Ha a digiteket egymagukban értelmeznénk, akkor a kétféle digittel (0 és 1) működő számítógép csak annyit tudna közölni velünk, hogy „igen” vagy „nem”. Az információs rendszerekben a digiteket tehát kombinációkban használjuk, amelyek így egyre nagyobb egységekké állnak össze (strukturáltság). A szerkezet lépcsőzetesen egymás fölé és alá van rendelve, amit hierarchiának nevezünk. Írásunkban például megtaláljuk a kettősbetűket is (sz, ny), ahol a digiteket kettesével értelmezzük. A betűk szavakká majd mondatokká, bekezdésekké, oldalakká, fejezetekké, kötetekké és könyvekké állnak össze. A számítógépben is hasonló megoldások vannak, például 8-digites kombinációk jelentik a billentyűzet egy-egy betűjét (ASCI kód). Efölött van a szektor, a fájl, az alkönyvtár és a könyvtár. Hasonló hierarchiát találunk a genetikai információnál is: A digitek (bázisok) hármasával tripletekbe rendeződnek, ezek géneket majd kromoszómákat alkotnak.

A genetikai információ digitjeinek kémiai megfelelője a négyféle nukleotid-bázis (adenin, timidin, guanin, citozin). Nevüket nem kell megjegyeznünk, csak a kezdőbetűket fogjuk használni: ATGC. Ha mindegy, hogy melyikről van szó, akkor a „b” (bázis) vagy a „bp” (bázispár) rövidítést használjuk.

3.2. A genetikai információ tulajdonságai

Nem válhat bármilyen vegyület örökítő-anyaggá. De milyen követelményeknek kell ehhez eleget tennie?

1) Szükséges egy jelrendszer, erre még visszatérünk.

2) A jeleknek sorrendben való rögzítését egy olyan molekuláris szál biztosítja, amelyben foszfát és dezoxiribóz váltakozik periodikusan (3. kép). A jelek sorrendje, tehát a bázissorrend vagy szekvencia (3. és 4. kép és 7. ábra) a molekuláris genetika egyik legfontosabb alapfogalma.

3) Az információ legyen állandó, tehát ne lehessen a „szakácskönyvből” lapokat kitépni vagy tetszőlegesen változtatni rajta, mert akkor már nem lesz reprodukálható az egyed. A „könyvet” tehát úgy kell megőrizni, ahogy az a könyvtárban történik. Ez az öröklődés konzervativizmusa, aminek azonban korlátai vannak, amint arra még visszatérünk.

4) Egymagában a könyvtár funkció sem elegendő, mert minden sejtosztódást megelőzően a genetikai anyagnak meg is kell kettőződnie, különben a DNS kihígulna. Tehát egy olyan „nyomda” vagy „xerox” funkcióra is szükség van, amely pontosan lemásolja, megkettőzi a „szakácskönyv” szövegét.

5) A DNS-t sérülések érhetik, sőt másolási hibák is történhetnek. Ezek nagy többségét a hibajavító enzimek helyrehozzák. A könyvtárhoz tehát egy „javító szolgálat” is tartozik.

6) A könyvtár nemcsak tárol, hanem egy olvasóterem is tartozik hozzá. Ugyanígy a genetikai információ is „leolvasható”. Egyszerre kell megoldani az őrzés és a használat feladatát!

7) A genetikai információ nem homogén, hanem hierarchikus, ami azt jelenti, hogy a leolvasás nem egy monoton folyamat, hanem a „jelek” csoportokba rendeződve olvasódnak le, ezek a csoportok még nagyobb csoportok részeit képezik, amint azt még tárgyalni fogjuk. Hasonló a számítógép működése is, ahol 8 jel együttese jelent egy betűt, és még ennél is nagyobb egységet jelent pl. a fájl.

8) Az élőlények egy folytonosan változó környezetben élnek, amelyhez folyamatosan alkalmazkodniuk kell. Az alkalmazkodás többféle szinten történik (sejt, hormon, idegrendszer, immunitás), a legnagyobb időbeli távlatokat a genetikai alkalmazkodás igényli. A genom sohasem teljesen változatlan, hanem bizonyos szabályok szerint generációról generációra változik. Ezzel összhangban a genetikai anyagnak két, egymással ellentétes tulajdonsága van, mégpedig a konzervativizmus és a (korlátozott) változékonyság. Ezt később részletesen tárgyaljuk (6. fejezet, Evolúció).

9) Az ember teljes genetikai információja (néhány kivételtől eltekintve) minden sejtben megtalálható. Ez rendkívüli kicsinyítést (miniatürizálást) feltételez, miáltal a soksejtű élőlény sok milliónyi genom-másolatot képes magával hordozni.

A genetikai információra még majd visszatérünk, de előtte még meg kell ismerkednünk a DNS-sel.

3.3. A DNS szerkezete és megkettőződése

A DNS-szál nem egymagában, hanem duplán fordul elő, mégpedig úgy, hogy a bázisok egymás-felé fordulnak, a gerinc pedig kívül, két-oldalt helyezkedik el (3. és 4. kép). Ha kiterítjük, létra-szerű szerkezetet mutat, ahol a létra fokait a bázisok képezik. Míg a DNS-szál hosszában erős (kovalens) kötéseket találunk, addig az egymással szembeni bázisokat gyenge, un. hidrogén-kötések tartják össze. A H-kötés egymagában gyenge ugyan, de az egymással párhuzamosan, hosszan elhelyezkedő H-hidak jelentős összetartó erőt biztosítanak, ugyanakkor fel is nyithatók, mint egy cippzár. Az egész molekula csigavonalban tekeredik fel (4. kép), amit dupla-hélixnek vagy kettős-spirálnak nevezünk. A duplaszál fokozott ellenállást képes kifejteni a mechanikai sérülésekkel szemben, de más előnyei is vannak.

A DNS-szál gerincén egymás utáni negatív töltéseket találunk. Mivel ezek egymást taszítják, a DNS duplaszál kimerevedik, ami azzal az előnnyel jár, hogy ez az óriás-molekula nem esik össze egy kibogozhatatlan gombolyaggá. Így viszont a DNS hossza a sejt hosszának többszörösét teszi ki, és nem fér el a sejtben. A DNS-re tapadó fehérjék azonban közömbösítik a negatív töltéseket, és ezeken a helyeken a DNS el tud hajolni. A DNS szerkezete tehát a fehérjék segítségével megváltoztatható, szabályozható.

A két összetapadó DNS-szál bázissorrendje nem független egymástól: egy kisebb méretű (pirimidin) bázissal szemben mindig egy nagyobb méretű (purin-bázis) foglal helyet, sőt ezen belül is mindig A-T és G-C párokat találunk. Ezt komplementer (kiegészítő) bázis-sorrendnek nevezzük. Ennek alapján az egyik DNS-szál bázissorrendje alapján ki tudjuk találni a másik szál sorrendjét, sőt a „minta” alapján a természet le is tudja „gyártani”.

1. kép: A lithium atom – kis mérete miatt – mikroszkóppal nem látható. Közepén található az atommag a három protonnal (piros, pozitív töltésűek) és a négy neutronnal (kék, semlegesek, tehát nincs elektromos töltésük). Az un. elektronhéjat a három elektron alkotja (feketék, negatív töltésűek). Az ábra szerint az elektronok körpályákon mozognak az atommag körül, hullám-természetük nincs feltüntetve. Ami a képen nem látszik: Az elektronok tömege („súlya”) elhanyagolható az atommagéhoz képest. (Atom, Wikipedia)

2. kép: Egy aminosav képlete. Az R-betű az oldalláncot (radix = gyök) jelenti. Az oldallánc sokféle lehet, és ez különbözteti meg egymástól az egyes aminosav-fajtákat. (Amino acid, Wikipedia)

3. kép: A DNS molekula egy rövid részlete. Az összetapadó két DNS-szál „gerincét” (backbone) az egymást váltó foszfát (sárga) és a dezoxiribóz (narancs) alkotja. A négyféle „kémiai jelet” (nukleotid bázisok) további szinek mutatják. Az adeninnel szemben mindig timin, a guaninnal szemben pedig mindig citozin foglal helyet. A két DNS-szálat (gyenge) hidrogén-kötések tapasztják össze: két, illetve három pontozott „híd” a bázisok között (DNA, Wikipedia).

4. kép: A DNS kettős-spirál megkettőződése (replikáció): Egy duplaszálból kettő lesz, mégpedig pontosan ugyanolyan bázissorrenddel. (DNA replication, Wikipedia)

5. kép: A messenger RNS szintézise (transzkripció). A szintézist végző enzim (transzkriptáz, itt RNAP megjelöléssel) szétnyitja a DNS duplaszálat (fekete), végighalad rajta (nyíl), miközben a messenger RNS (kék, egy-szálú) egyre hosszabbodik és leválik. A baloldali „labdák” szabályozó fehérjéket jelentenek (Transcription, Wikipedia).

6. kép: Egy kromoszóma. A DNS-szintézis során ez a kromoszóma már megkettőződött, összetömörödött, de még nem vált szét. Kromatid (1), centromer (2), rövid kar (3), hosszú kar (4). (Chromosome, Wikipedia)

7. kép: Egy „átlagos” sejt a benne történő információ-átviteli folyamatok feltüntetésével. A kék gömb a sejtmag a DNS-sel, a piros a citoplazma (Cell, Wikipedia).

A duplaszál minden sejtosztódás előtt szétnyílik, és a szálak (enzimek segítségével) kiegészülnek. Így képes a két szál ugyanolyan bázissorrenddel megkettőződni (4. kép). Ezt a folyamatot DNS-duplikációnak vagy replikációnak nevezzük.

A DNS-szálat hosszában összetartó kapcsoló-pontok aszimmetrikusak, ezért a szálnak iránya van (4. kép), ezért „leolvasásuk” is csak egyik irányban történhet meg. A DNS-duplaszál két tagja ellenkező irányulású (antiparallel). A két szál közül csak az egyik tartalmazza a genetikai információt, ez a pozitív-szál („az értelmes szál”), a komplementerje pedig a negatív-szál (anti-sens szál). A szabályozó rendszerek (lásd később) különbséget tudnak tenni a kétféle szál és a két vég között. Az információ leolvasása (lásd később) csak az egyik szálról és az egyik vég felől történhet.

A DNS-szakaszok hosszát nem mm-ben mérik, hanem a bázis-párok számával (bp), vagy egyetlen szálra nézve egyszerűen a bázisok számával (b). Ezer bázis a kilobázis (Kb), ezerszerese a megabázis (Mb). Véletlen egybeesés, hogy a számítógépes információ egységeit is b-vel jelzik (bit és bájt).

3.4. A gének

A genetikai anyag minden élőlényben megtalálható, de mindegyikben más-más információt hordoz, mintha mindegyik élőlény egy-egy számítógép lenne, más-más programmal ellátva. Amint azt említettük, a genetikai anyag a DNS, de van néhány kivétel: egyes vírusokban a DNS-t a nagyon hasonló RNS helyettesíti.

A genetikai anyag különböző részeinek más-más funkciója lehet, először a génekről lesz szó. A gének a DNS meghatározott szakaszai, de pontos definiálásuk nehézségekbe ütközik a kivételek miatt. Mindenesetre ezeknek több ezer bázis hosszúságú DNS-szakaszoknak nagy többsége fehérjét kódol. Amint azt a 9. képen, továbbá a 3. és 7. ábrán látjuk, a DNS bázis-sorrendje a génről előbb egy RNS molekulára íródik át, és ez az RNS (messenger) fogja a fehérje szintézist közvetlenül irányítani. Vannak azonban un. RNS-gének is, amelyeken RNS szintén keletkezik, de ez már nem vesz részt a fehérje szintézis irányításában, más szóval az RNS-gének is DNS-ből állnak, de nem kódolnak fehérjét, csak RNS-t.

A magasabbrendű élőlények génjei összetettek, exonokból és intronokból állnak, a kódolásban csak az exonok vesznek részt (9. kép). Ugorjunk át ezen a problémán!

Az immunitástan egyik alapfogalma az antigén. Ennek semmi köze sincs a génekhez, tehát a gén nem antigén és az antigén nem anti-gén!

3.5. A kromoszóma szerkezete

A DNS olyan hosszú molekula, hogy kilógna a sejtből. A baktérium ezt a problémát úgy oldja meg, hogy a spirrállá csavarodott DNS-szálból egy olyan gyűrűt képez, amelynek méretét másodlagos csavarulatok csökkentik. A baktériumokénál nagyobb és bonyolultabb sejtek kialakulásához több DNS-re volt szükség. Kialakultak azok a megoldások, amelyek segítségével több DNS-t lehetett elhelyezni a sejtben, anélkül, hogy a DNS-duplaszálak összegabalyodnának.

A magasabb-rendű élőlények sejtjeiben a DNS-t (egy aprócska kivétellel, lásd 5.6. fejezet) a sejtmagban találjuk, ennek membránja a DNS-t elkülöníti a citoplazmától. Hisztonnak nevezett fehérjék közömbösítik a DNS negatív töltését, és a DNS duplaszál rátekeredik a hisztonra, gyöngyfűzér-szerű szerkezetet formálva (nukleoszómák).

4. ábra: A nukleoszómák kialakulása a DNS duplaszálból és hisztonokból (balra fent) és további feltekeredésük tömör, un. mitotikus kromoszómává. Ezek különböző formában vannak feltüntetve az ábra jobb oldalán. Az ábra részei nem méretarányosak egymással.

A legtöbb sejt működését periódikusan ismétlődő osztódási folyamat (mitózis) szakítja meg. A mitózis során a nukleoszómákat a fehérjék még jobban összetömörítik (4. és 5. ábra). Kialakulnak a mikroszkóppal is látható (mitotikus) kromoszómák (4-6. ábra és 6. kép), amelyek aztán rendezetten eloszlanak a két utódsejt között, majd újra fellazulnak. A kromoszómák száma fajra jellemző. Az emberben 22 kromoszóma-párt találunk, továbbá két, az egyed nemét meghatározó, un. nemi kromoszómát. Ez az X és Y kromoszóma nem alkot igazi „párt”, máshogy viselkednek, mint az un. autoszómák (6. ábra és 6. fejezet). Mindegyik kromoszóma egy-egy hosszú, folyamatos, DNS-duplaszálat tartalmaz.

5. ábra: A nukleoszómák kialakulása és tömörödésük, mint az előző ábrán. Az ábra részei nem méret-arányosak egymással.

Több mint száz évvel ezelőtt, amikor először megfestették az osztódó sejteket, a megfigyelt jól festődő apró képleteket „színes testnek”, kromoszómának nevezték el.

Azóta ez az elnevezés átkerült a DNS tömör formájáról a laza, mikroszkóppal nem jól látható formájára is, sőt a baktériumban levő DNS-gyűrűre is. A félreértések elkerülése végett a tömör kromoszómát mitotikus kromoszómának nevezzük. A kromoszómák a DNS mellett fehérjéket és RNS-t is tartalmaznak.

A 3,1 milliárd bp hosszúságú humán genom hossza 1,8 méter. Ennek duplája 23 kromoszóma-pár formájában egy alig 6 μm átmérőjű sejtmagba zsúfolódik be. A legkisebb humán kromoszóma DNS-e 14 mm hosszú és egy kb. 2 μm hosszúságú mitotikus kromoszómává kondenzálódhat, ami 7000-szeres tömörítési arány.

Amíg a kromoszóma összetömörödött állapotban van, a gének nem tudnak működni, mert az enzimek nem férnek hozzájuk. A sejtosztódások közötti időszakban (interfázis) viszont a kromoszómák fellazulnak, és lehetőség nyílik a gének leolvasására. A kromoszóma egésze azonban sohasem lazul fel teljesen, mindig maradnak tömör, inaktív részek (heterokromatin).

6. ábra: Egy sejt kromoszóma-garnitúrája. A nemi kromoszómák (férfi, XY) a jobb alsó sarokban láthatók. A többi kromoszóma (un. autoszómák) duplán vannak jelen az apai és anyai eredetnek megfelelően, és ezért nem teljesen azonosak. (Chromosome, Wikipedia)

3.6. A genetikai kód

Amint azt a centrális dogma ábráin látjuk (3. ábra és 9. kép), a gének a fehérjéket nem közvetlenül kódolják. A DNS bázissorrendjének formájában tárolt információ először „átíródik” (transzkripció) egy másik „tájszólásra”. Ezt az átiratot kémiailag messenger RNS-nek nevezzük. A messengerről az információ pedig „lefordítódik” (transzláció) egy teljesen más nyelvre, az aminosavak nyelvére. Az aminosavak összekapcsolásával keletkező fehérjék határozzák meg az élőlény tulajdonságait, erről később lesz szó. Először információs szempontból tekintsük át a folyamatot, aztán pedig néhány szót szólunk ennek kémiai megvalósításáról is.

A DNS négyféle kémiai jelet (nukleotid bázist) használ: A, T, G, C. Amikor az információ a DNS-ről a (messenger) RNS-re íródik át, a T-ből következetesen U (uracil) lesz, a többi ugyanúgy marad, a végeredmény tehát: A, U, G, C (7 ábra). Olyan, mintha a „Szeged” szót „Szöged”-re írnánk át. Eközben a jelek megszakítás nélküli sorban helyezkednek el. Az információ megszakításaival most nem foglalkozom, ugorjunk át rajta!

Eddig volt az átírás. Most jön a második lépés: Az RNS-en levő négy jel kombinációiból álló írást le kell fordítani egy másféle nyelvre, más szóval a nukleotid bázisok nyelvéről az aminosavak nyelvére. A probléma az, hogy hogyan lehet a négy bázist összehozni a 20-féle aminosavval. Egyesével leolvasva a négy jel csupán négyféle utasítást képes közvetíteni (41 = 4), ami túl kevés. Kettesével leolvasva 42 = 16-féle variáció lehetséges, ami még mindig kevés. Hármasával való leolvasás esetén viszont a kombinációk száma már meg is haladja a 20-as minimumot: 43 = 64.

A kísérletek azt mutatták, hogy a jelek valóban hármasával, tripletekben olvasódnak le. A tripletet kódszónak (codon) is nevezik. Ezt a hármasával (olvasókeret-szerűen) leolvasott jelrendszert nevezzük genetikai kódnak. (Mintha a magyar nyelv minden hangot három-betűs jellel írna le, mint pl. dzs, nny). A kódszótárat egy kicsit lejjebb találjuk.

Nézzük meg közelebbről a genetikai kód tulajdonságait! Amint azt említettük a messenger kódjának leolvasása hármasával történik és folyamatos, nincsenek szünetek vagy hézagok. A genetikai kód redundáns, vagyis a szükségesnél több tripletet tartalmaz: egy aminosavat általában több „szinonim” triplet is kódolhat (2, 4 vagy 6-féle triplet), sőt „írásjelek” is előfordulnak: a kezdő jelet és a stop-jeleket is tripletek kódolják.

7. ábra: Egy képzeletbeli, lerövidített DNS-szakasz és leolvasása. A messenger a pozitív szálról olvasódik le, erre hasonlít és a negatív szálnak a komplementerje. A leolvasás megindítását lehetővé tevő szabályozó részeket a pozitív szálon találjuk. A kezdő kódszó methionint kódol, a stop-jel viszont nem kódol aminosavat. A két glicin (Gly) aminosavat ebben az esetben különböző, de szinonim kód-szavak kódolják.

A genetikai kód univerzális, vagyis az egész élő-világ ugyanazt a jelrendszert (kódot) használja (még az apróbb eltérések is rendkívül ritkák). A genetikai kódot azonban az élőlények kizárólag csak a géneknél használják. A DNS többi része is tartalmazhat információt, de az másféle módon működik. Számítógépes hasonlattal élve a kódot használó rész a szöveges fájl, de a számítógép ezen felül még sok mindenre képes.

A magyar ABC is egy jelrendszer, egy kód. Ezzel az egyetlen jelrendszerrel sok milliárd különböző szöveget írhatunk le. Ugyanígy a genetikai kód segítségével a természet is sok milliárd „szöveget” ír le. Az élőlények mindegyik fajában más-más „szöveget” vagyis más-más genetikai információt találunk, sőt még az azonos fajhoz tartozó egyedek között is vannak kisebb különbségek. A fentiek alapján élesen meg kell különböztetnünk a genetikai kódot és a genetikai információt: az első az ABC, a másik a leírt szöveg.

A nagybetűs oszlopok jelentik a kódszavakat (tripletek, codonok). A párhuzamos oszlopokban a tripletek által kódolt aminosavak neveinek három-betűs rövidítéseit látjuk. Ugyanazt az aminosavat akár hat különböző triplet is kódolhatja. A kezdő- és a stop-jelként szereplő tripleteket vastagítással emeltük ki.

A fentiek miatt nem beszélhetünk többesszámban „genetikai kódokról”, mert a genetika jelrendszere egy és ugyanaz.

Az előzőkből az is kitűnt, hogy a genetikai információ nem egy folyamatos (analóg) rendszer, hanem digitalizált, ahol a legkisebb egységek (digitek) a nukleotid bázisoknak felelnek meg.

4. A géntől a tulajdonságig

4.1. A géntől a fehérjéig

A magasabb-rendű élőlények DNS-ét (egy apró kivétellel) a sejtmagban találjuk. A géneken keletkező RNS (5. kép) kisebb-nagyobb átszabása után kialakul az „érett” messenger RNS. A nagyon hosszú és sok gént tartalmazó DNS-duplaszálhoz képest a messenger rövid és egyetlen, hajlékony RNS-szálból áll. A messenger a védettebb sejtmagból kijut a citoplazmába (7. kép), ahol a fehérjének aminosavakból való „összeszerelését” irányítja (8. kép). Mivel egy génen egymásután nagyobb számú messenger-RNS is keletkezhet, ezért ez a folyamat egyben a genetikai információ megsokszorozását is jelenti. Egy további megsokszorozási folyamat, amikor egyetlen messenger egymásután nagyobb számú azonos fehérje elkészítését (szintézisét) irányítja.

A baktériumok génjei egyszerűbbek, mint a magasabbrendű élőlények génjei. Ez utóbbiakon olyan messenger keletkezik, amely enzimes szabás-varráson is átmegy (splicing) és megrövidül, mielőtt elnyerné végleges alakját. A különböző sejtekben ez az átszabás különböző módon történhet (alternative splicing). Ennek következtében az állati/emberi szervezet egyetlen gént többféle fehérje kódolására is felhasználhatja. Ezek a fehérjék szerkezetileg egymáshoz hasonlóak lesznek, de jelentős funkcionális különbségeket is mutathatnak.

A közönséges fénymikroszkópénál nagyobb nagyítást lehet elérni elektron-mikroszkóppal. Ha így nézzük meg a sejtek citoplazmáját, apró gombócokat veszünk észre: ezek a riboszómák, a fehérje szintézis „munkaasztalai”. Működése során a messenger eleje megtapad a riboszóma két része között és minden munkafázisban egy triplettel elmozdul a riboszómához képest, mialatt a kialakuló un. polipeptid-lánc hossza egy aminosavval megnő. Ehhez a bonyolult folyamathoz a gén (a messenger közvetítésével) csupán a „tervrajzot” szolgáltatja. Konyhai hasonlattal: az ebéd elkészítéséhez a szakácskönyvön kívül még sok minden szükséges.

A riboszóma egy bonyolult szerkezet, RNS-t és fehérjéket kb. fele-fele arányban tartalmaz. A riboszómákon háromféle RNS találkozik egymással. A riboszóma-RNS (munkapad vagy összeszerelő műhely), a messenger-RNS (tervrajz, információ-hordozó) és a transzfer-RNS-ek. Ez utóbbiak teremtik meg a kapcsolatot a messengeren levő kódszó és a transzfer-RNS-en levő aminosav között (adapter funkció).

A génekről olyan jelek is átíródnak a messengerre, amelyek biztosítják egyrészt a riboszómán való megkötődést, másrészt a hármasával (tripletekben) való leolvasás megfelelő kezdését. E jelek hiányában az olvasókeret „elcsúszik” és ugyanaz a messenger háromféleképpen lesz leolvasható, amelyből csak egy a megfelelő. Elcsúszás esetén rendellenes aminosav-sorrendű („nonszensz”) polipeptidlánc keletkezik, ami általában rövidebb is a szokásosnál.

Az egyre inkább kiépülő fehérje (pontosabban: polipeptidlánc) a szintézis végéig a riboszómához kötve marad. A „stop” kódszó egyben a polipeptidlánc leválására is jelet ad. Előre elkészített peptid-darabok nem tudnak beépülni a fehérjébe.

A fehérje szintézis előrehaladtával a polipeptid-lánc a riboszómán egyre hosszabbra növekszik és fokozatosan feltekeredik (10. kép), miközben fokozatosan felveszi a működéshez szükséges alakját is (konformáció).

A polipeptid-lánc leválása után különböző kémiai változások is történhetnek egyes fehérjékben, úgy mint feldarabolás, stabilizáló keresztkötések kialakulása, foszfát-csoport vagy zsírsav hozzákapcsolása, szénhidrát oldallánc kiépülése, egyes aminosavak utólagos módosítása. Ezek a változások erős (kovalens) kötésekkel történnek. Nem kevésbé fontosak a gyengébb kölcsönhatások („tapadások”), mint például a hemoglobin molekula kialakulásakor a vas-tartalmú hem megkötése a globin fehérje által, továbbá a négy hemoglobin alegység összetapadása. A felsorolt un. poszt-transzlációs módosulások szoros összefüggésben vannak a fehérje működőképességével.

4.2. A fehérjétől a tulajdonságig

A fehérjék nagy molekulák (makromolekulák), de sokkal kisebbek a DNS-nél. Az ember szervezetében a nagyon durva becslések szerint mintegy százezer-féle fehérje fordul elő. Annak ellenére, hogy a fehérjék durva összetételükben hasonlítanak egymáshoz, mégis rendkívül sokfélék és sokféle működést képesek ellátni. Működés közben gyakran alakváltozást is mutatnak.

A strukturális fehérjék alakítják ki a sejtek belső „állványzatát” (pl. mikrotubulus fehérjék, vimentin), továbbá az egész szervezet „állványzatát” (a csontváz sejtjei és fehérjéi), de ugyanígy a kötőszövetet is (kollagén), végeredményben tehát a szervezet alaki tulajdonságaiért felelősek. A kontraktilis fehérjék (aktin és miozin) teszik lehetővé az izmok összehúzódását, más sejtekben pedig a mozgást és alakváltozást. Megint más fehérjék molekuláris motorokat képeznek (pl. dinein) és sejtszervecskéket szállítanak a mikrotubulusok mentén. A sejtmembrán fehérjéi a membrán foszfolipid rétegébe merülnek, receptorokat, illetve pórusokat alakítanak ki. Az anyagcseréért főként az enzim-fehérjék a felelősek. Egyes enzimek összedolgoznak a bonyolultabb kémiai átalakulások katalizálása során, sőt közös struktúrákká egyesülhetnek. A transzport fehérjék a felszívódást és a vérrel történő anyagszállítást végzik (pl. a hemoglobin vagy a zsírsavakat szállító szérum-albumin). Mindezek a fehérjék kölcsönhatásban vannak egymással és másféle molekulákkal is, együttes működésük jelenti az életet. Ehhez a sokféle funkcióhoz és kölcsönhatáshoz elegendő az aminosav sorrendeket meghatározó információ, minden többi ebből automatikusan következik.

Az orvostudomány nagyon sok olyan rendellenességet ismer, amely egy-egy gén megváltozása (mutációja) a felelős (lásd 6.1. fejezet). Az ilyen eset a betegre nézve súlyos lehet, a tudomány viszont profitálhat belőle, mert ilyenkor összefüggésbe lehet hozni egy adott gént egy fehérjével és egy tulajdonsággal.

Az „egy gén – egy tulajdonság” eset azonban nem nagyon gyakori. A fehérjék ui. összetapadnak, sejteket, szöveteket, szerveket alkotnak és így végeznek el bonyolult feladatokat, esetleg még a környezettel is kölcsönhatásba lépnek. Más szóval a legtöbb tulajdonság a fehérjék bonyolult kölcsönhatásainak az eredménye. A betegségek jelentős részénél egy-egy gén-variáns csak kismértékű hajlamosító tényezőt jelent, ezért is nehéz azonosítani őket. Ugyanakkor a betegség „genetikai hátterére” rárakódik a környezet-hatás is (sztressz, munkakörülmények, életmód stb).

Azt a világot, amelyben az élőlények élnek, környezetnek nevezzük. Az élőlények együtt élnek a környezeti tényezők széles spektrumával, az egyszerű fizikai hatásoktól a társadalmi hatásokig. A környezeti tényezők folytonosan változnak, mégpedig vagy periodikusan (napszaki és évszaki hatások) vagy lassan és folyamatosan, néha viszont drámai hirtelenséggel. Szervezetünk érzékeli ezeket a változásokat és olyan válaszokat ad rá, amelyek szintén egy széles spektrumot képviselnek az egyszerű biokémiai választól egy bonyolult viselkedési válaszig, illetve egy hirtelen mozdulattól egy fokozatos alkalmazkodásig, beleértve a tanulási és emlékezés folyamatokat is. Az utóbbiakon nemcsak agyunk tanulási folyamatai értendők: immun-rendszerünk is emlékszik a korábbi fertőző betegségekre, ami mintegy „megtanult” védekezni ellenük.

Annak ellenére, hogy a genetikai információ a „jeleknek” egy alapvetően stabil sorrendje, az általa vezérelt élő szervezet nagyon is rugalmas, alkalmazkodó-képes, térháló-szerű rendszert képez, amely más-más választ tud adni az egyes környezeti hatásokra, sőt emlékezésre, tanulásra is képes. Ebből következik, hogy az élő szervezetben a genom nem határoz meg mindent, szervezetünket a környezet is formálja (a genommal kölcsönhatásban).

A fentiek különösen érvényesek az idegrendszerre. Úgy is mondhatjuk, hogy a genom csupán egy „gyurmát” biztosít, amelynek finomabb formálását a környezet végzi el. Ezt jól jegyezzük meg, mert a későbbiekben még többször „vissza fog köszönni”.

Az élő szervezet látható és tapasztalható tulajdonságainak együttesét fenotípusnak nevezzük. Egy kissé sántító számítógépes hasonlattal élve a képernyőn látottak jelentik a fenotípust, a háttérben levő 0 és 1 jelek sorrendjét pedig genotípusnak tekintjük. A kettő ugyan összefügg egymással, mégis nagyon nehéz az egyik alapján a másikat kitalálni. Ugyanez a probléma jelentkezik az élő szervezetnél is: a kutatók mindkét irányban próbálkoznak.

A genetikai anyag a sejtekben védetten van elhelyezve, a környezettel való kölcsönhatása közvetett. A legdurvább környezeti hatás az, amikor az egész szervezet elpusztul. Akkor is zavart szenved a gének működése és a megfelelő tulajdonságok kifejeződésre jutása, ha nincs elég táplálék vagy vitamin. Egy zseni kifejlődését pedig a társadalmi környezet is elfojthatja. A genom olyan lehetőségeket nyújt, amelyek csak egy megengedő környezetben realizálódhatnak, ugyanakkor a genom határt is szab a képességek kifejlődésének. A genom és a környezet milyensége egyaránt fontos és hatásuk csak szélsőséges esetekben választható el egymástól.

A DNS egy nagyon egyszerű rendszernek látszik, ahol a kémiai jelek egyetlen dimenzióban helyezkednek el. Ahogy azonban az RNS-en és a fehérjéken át eljutunk a tulajdonságokig, a dolgok egyre bonyolultabbá válnak. Ha pl. meghatározzuk egy egér genomjának bázis-sorrendjét, az még egyáltalán nem jelenti, hogy mindent tudnánk erről az egérről. A bázis-sorrendben rejlő másodlagos információ legnagyobb része egy darabig még láthatatlannak tűnik, értelmezéséhez még rengeteg kutatómunkára van szükség.

Ha megállapítjuk két egyszerű fehérje génjének bázis-sorrendjét, akkor nagyon sokféle következtetést le tudunk vonni a két fehérje 3D szerkezetéről és tulajdonságairól, de az már nem fog kiderülni, hogy ez a két fehérje felismeri egymást, tehát összetapadnak-e. Ehhez már kísérletek kellenek. Ennek ismeretében viszont a bázis-sorrend alapján előre jelezhető két fehérje kölcsönhatása, tehát analógiák keresésével sok kísérletet megtakaríthatunk.

5. A gének szabályozása és a genom

5.1. A gének szabályozása

Lehet, hogy ez a rész nehezebb a többinél, de a későbbiekben a gének szabályozásával és aktivitásával újra meg újra találkozni fogunk.

Az előzőkben fehérjéknek a gének általi kódolását tárgyaltuk, ugyanakkor azonban a gének működtetéséhez is fehérjék szükségesek, más szóval a fehérjék egy része visszahat a génekre. Az izolált gén inaktív, kikapcsolt, „csendes”, vagyis nem tudja elvégezni kódolási funkcióját és ezért nem képes hozzájárulni az adott sejt vagy szervezet tulajdonságaihoz. Az aktív gén kódolja a fehérjét, minek következtében a hozzárendelt tulajdonság megjelenik, más szóval kifejeződésre kerül, expresszálódik, manifesztálódik. A gén és a fehérje között a messenger-RNS teremti meg a kapcsolatot. A messenger az aktív génen keletkezik egy enzim (transzkriptáz) segítségével. Minél aktívabb egy gén, annál gyakrabban keletkezik messenger a génen; a szabályozás a szintézis beindítását célozza meg.

A legtöbb gén ki-be kapcsolható. A génkapcsoló (promóter) a legegyszerűbb esetben egy rövid DNS-szakasz közvetlenül a gén előtt. A transzkriptáz enzim a promóter „mag”-részét ismeri fel, itt tapad meg, és (egyéb feltételek megléte esetén) innen kezd végighaladni a génen. A promóter többi részén is fehérjék tapadnak meg, ezektől a szabályozó fehérjéktől függ, hogy a transzkriptáz megindul-e vagy sem. Azt látjuk tehát, hogy