Biology for Non-Majors I

Mitä opit tekemään: Selitä, miten DNA tallentaa geneettistä tietoa

DNA:n ainutlaatuinen rakenne on avainasemassa sen kyvyssä tallentaa ja monistaa geneettistä tietoa:

Kuva 1

Tässä lopputuloksessa opit kuvaamaan DNA:n kaksoiskierteisen rakenteen: sen sokeri-fosfaattirunko tikapuiden tikapuut, joissa on typpipitoiset emäkset ”tikapuiden tikapuut”.

DNA:n rakenne

DNA:n rakennuspalikat ovat nukleotideja. Kunkin nukleotidin tärkeät osat ovat typpiemäs, deoksiriboosi (5-hiilisokeri) ja fosfaattiryhmä (ks. kuva 2). Kukin nukleotidi on nimetty sen typpiperustan mukaan. Typpiperusta voi olla puriini, kuten adeniini (A) ja guaniini (G), tai pyrimidiini, kuten sytosiini (C) ja tymiini (T). Uracil (U) on myös pyrimidiini (kuten kuvassa 2 näkyy), mutta sitä esiintyy vain RNA:ssa, josta puhumme lisää myöhemmin.

Kuva 2. Kukin nukleotidi koostuu sokerista, fosfaattiryhmästä ja typpiemäksestä. Sokerina on DNA:ssa deoksiriboosi ja RNA:ssa riboosi.

Nukleotidit yhdistyvät toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla, joita kutsutaan fosfodiesterisidoksiksi tai linkityksiksi. Fosfaattijäämä kiinnittyy yhden nukleotidin yhden sokerin 5′-hiilen hydroksyyliryhmään ja seuraavan nukleotidin sokerin 3′-hiilen hydroksyyliryhmään muodostaen näin 5′-3′-fosfodiesterisidoksen.

Francis Crick ja James Watson työskentelivät 1950-luvulla yhdessä DNA:n rakenteen määrittämiseksi Cambridgen yliopistossa Englannissa. Myös muut tutkijat, kuten Linus Pauling ja Maurice Wilkins, tutkivat aktiivisesti tätä alaa. Pauling oli löytänyt proteiinien sekundäärirakenteen röntgenkristallografian avulla. Wilkinsin laboratoriossa tutkija Rosalind Franklin käytti röntgendiffraktiomenetelmiä ymmärtääkseen DNA:n rakennetta. Watson ja Crick pystyivät kokoamaan DNA-molekyylin palapelin Franklinin tietojen perusteella, koska Crick oli myös tutkinut röntgendiffraktiota (kuva 3). Vuonna 1962 James Watson, Francis Crick ja Maurice Wilkins saivat lääketieteen Nobel-palkinnon. Valitettavasti Franklin oli siihen mennessä kuollut, eikä Nobel-palkintoja jaeta postuumisti.

Kuva 3. Pioneeritutkijoiden a) James Watsonin, Francis Crickin ja Maclyn McCartyn työ johti nykyiseen käsitykseemme DNA:sta. Tutkija Rosalind Franklin löysi (b) DNA:n röntgendiffraktiokuvion, joka auttoi selvittämään sen kaksoiskierteisen rakenteen. (luotto a: Marjorie McCartyn työn muokkaus, Public Library of Science)

Watson ja Crick ehdottivat, että DNA koostuu kahdesta säikeestä, jotka kiertyvät toistensa ympäri muodostaen oikeakätisen kierteen. Emäspariutuminen tapahtuu puriinin ja pyrimidiinin välillä; nimittäin A muodostaa parin T:n kanssa ja G muodostaa parin C:n kanssa. Adeniini ja tymiini ovat komplementaarisia emäspareja, ja sytosiini ja guaniini ovat myös komplementaarisia emäspareja. Adeniini ja tymiini muodostavat kaksi vetysidosta ja sytosiini ja guaniini kolme vetysidosta. Nämä kaksi säiettä ovat luonteeltaan antiparalleelisia, eli toisen säikeen 3′-pää on vastakkain toisen säikeen 5′-pään kanssa. Nukleotidien sokeri ja fosfaatti muodostavat rakenteen selkärangan, kun taas typpiperäiset emäkset ovat pinoutuneet sen sisään. Kukin emäspari on 0,34 nm:n etäisyydellä toisesta emäsparista, ja jokainen kierre on 3,4 nm:n pituinen. Näin ollen kierteessä on kymmenen emäsparia kierrosta kohti. DNA-kaksoiskierteen halkaisija on 2 nm, ja se on kauttaaltaan tasainen. Vain puriinin ja pyrimidiinin välinen pariutuminen voi selittää tasaisen halkaisijan. Kahden säikeen kiertyminen toistensa ympärille johtaa tasaisin välimatkoin sijaitsevien suurten ja pienten urien muodostumiseen (kuva 4).

Kuva 4. DNA:lla on (a) kaksoiskierteinen rakenne ja (b) fosfodiesterisidoksia. (c) suuret ja pienet urat ovat sitoutumispaikkoja DNA:ta sitoville proteiineille sellaisissa prosesseissa kuin transkriptio (RNA:n kopiointi DNA:sta) ja replikaatio.

Geneettinen informaatio

Organismin geneettinen informaatio on tallennettu DNA-molekyyleihin. Miten yhdenlainen molekyyli voi sisältää kaikki ohjeet kaltaistemme monimutkaisten elävien olentojen valmistamiseksi? Mikä DNA:n osa tai ominaisuus voi sisältää tätä tietoa? Sen on tultava typpiemäksistä, sillä kuten jo tiedät, kaikkien DNA-molekyylien selkäranka on sama. Mutta DNA:ssa on vain neljä emästä: G, A, C ja T. Näiden neljän emäksen järjestys voi tarjota kaikki ohjeet, joita tarvitaan minkä tahansa elävän organismin rakentamiseen. Saattaa olla vaikea kuvitella, että neljä eri ”kirjainta” voi välittää niin paljon tietoa. Ajattele kuitenkin englannin kieltä, joka voi esittää valtavan määrän tietoa vain 26 kirjaimella. Vielä syvällisempi on tietokoneohjelmien kirjoittamiseen käytetty binäärikoodi. Tämä koodi sisältää vain ykkösiä ja nollia, ja ajattele, mitä kaikkea tietokone voi tehdä. DNA-aakkosilla voidaan koodata hyvin monimutkaisia ohjeita vain neljällä kirjaimella, vaikka viesteistä tulee lopulta todella pitkiä. Esimerkiksi E. coli -bakteeri kantaa geneettiset ohjeensa DNA-molekyylissä, joka sisältää yli viisi miljoonaa nukleotidia. Ihmisen genomi (eliön koko DNA) koostuu noin kolmesta miljardista nukleotidista, jotka on jaettu 23 parittaisen DNA-molekyylin eli kromosomin kesken.

Emäsjärjestykseen tallennettu informaatio on järjestetty geeneihin: kukin geeni sisältää tietoa jonkin toiminnallisen tuotteen valmistamiseksi. Geneettinen informaatio kopioidaan ensin toiseen nukleiinihappopolymeeriin, RNA:han (ribonukleiinihappo), säilyttäen nukleotidiemästen järjestys. Geenit, jotka sisältävät ohjeita proteiinien valmistamiseksi, muunnetaan sanansaattaja-RNA:ksi (mRNA). Jotkin erikoistuneet geenit sisältävät ohjeita toiminnallisten RNA-molekyylien valmistamiseen, jotka eivät tee proteiineja. Nämä RNA-molekyylit toimivat vaikuttamalla suoraan soluprosesseihin; esimerkiksi jotkut näistä RNA-molekyyleistä säätelevät mRNA:n ilmentymistä. Toiset geenit tuottavat proteiinisynteesiin tarvittavia RNA-molekyylejä, siirtorNA:ta (tRNA) ja ribosomaalista RNA:ta (rRNA).

Jotta DNA toimisi tehokkaasti informaation tallentajana, tarvitaan kaksi keskeistä prosessia. Ensinnäkin DNA-molekyyliin tallennetun informaation on kopioitava mahdollisimman vähäisin virhein joka kerta, kun solu jakautuu. Näin varmistetaan, että molemmat tytärsolut perivät vanhemman solun täydellisen geneettisen informaation. Toiseksi DNA-molekyyliin tallennettu tieto on käännettävä eli ilmaistava. Jotta tallennetusta informaatiosta olisi hyötyä, solujen on voitava saada käyttöönsä ohjeet tiettyjen proteiinien valmistamiseksi, jotta oikeat proteiinit valmistetaan oikeassa paikassa oikeaan aikaan.

Kuva 5. DNA:n kaksoiskierre. Graphic modified from ”DNA chemical structure,” by Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

DNA:han tallennetun tiedon kopioiminen ja lukeminen perustuu kahden nukleiinihappopolymeerisäikeen väliseen emäsparin muodostamiseen. Muistutetaan, että DNA:n rakenne on kaksoiskierre (ks. kuva 5).

Sokeri deoksiriboosi, jossa on fosfaattiryhmä, muodostaa molekyylin telineen tai selkärangan (korostettu keltaisella kuvassa 5). Emäkset osoittavat sisäänpäin. Komplementaariset emäkset muodostavat vetysidoksia toistensa kanssa kaksoiskierteessä. Katso, miten isommat emäkset (puriinit) muodostavat parin pienempien emästen (pyrimidiinit) kanssa. Näin kaksoiskierteen leveys pysyy vakiona. Tarkemmin sanottuna A muodostaa parin T:n kanssa ja C muodostaa parin G:n kanssa. Kun keskustelemme DNA:n toiminnasta myöhemmissä kappaleissa, muistakaa, että emästen erityiselle parittumiselle on kemiallinen syy.

Kuvitellaksemme DNA:n sisältämän informaation ja organismin havaittavissa olevan ominaisuuden välistä yhteyttä tarkastellaan geeniä, joka antaa ohjeet insuliinihormonin rakentamiseen. Insuliini vastaa verensokerin säätelystä. Insuliinigeeni sisältää ohjeet insuliiniproteiinin kokoamiseksi yksittäisistä aminohapoista. DNA-molekyylin nukleotidien järjestyksen muuttaminen voi muuttaa lopullisen proteiinin aminohappoja, mikä johtaa proteiinin toimintahäiriöön. Jos insuliini ei toimi oikein, se ei ehkä pysty sitoutumaan toiseen proteiiniin (insuliinireseptoriin). Elimistön organisaatiotasolla tämä molekyylitapahtuma (DNA-sekvenssin muutos) voi johtaa sairaustilaan – tässä tapauksessa diabetekseen.

Tarkista ymmärryksesi

Vastaamalla alla olevaan kysymykseen (kysymyksiin) näet, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä jaksossa käsiteltyjä aiheita. Tätä lyhyttä tietovisaa ei lasketa kurssin arvosanaan, ja voit suorittaa sen uudelleen rajoittamattoman määrän kertoja.

Käytä tätä tietovisaa tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättäessäsi, (1) opiskeletko edellistä jaksoa tarkemmin vai (2) siirrytkö seuraavaan jaksoon.