Biokemia/DNA

Deoksiribonukleiinihappo eli DNA on nukleiinihappo, joka sisältää kaikkien eliöiden solujen ja joidenkin virusten geneettisen materiaalin. Eliön lisääntyessä geneettinen materiaali kopioituu ja välitetään jälkeläisille.

Monisoluisissa eliöissä ja joissain bakteereissa olevat solut ovat eukaryoottisia eli aitotumallisia. Niissä DNA on kromosomeissa solun tumassa. Prokaryoottisissa, eli alkeistumallisissa soluissa DNA on soluliman seassa. Myös solussa olevissa soluelimissä, mitokondrioissa ja kloroplasteissa on oma DNA:nsa.

Molekyylin rakenne

DNA:n kemiallinen rakenne

DNA koostuu kahdesta makromolekyylistä, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa typpiemäsosien välisin vetysidoksin muodostaen kaksoiskierteen. Nämä molekyylit koostuvat kolmenlaisista yksiköistä:

pentoosisokeri
- deoksiriboosi
typpiemäkset
- adeniini (A)
- guaniini (G)
- sytosiini (C)
- tymiini (T)
fosforihappo

Kun sokeriin esteröityy fosforihappo, saadaan nukleotidi. Nukleotidit polymerisoituvat esterireaktiolla, jolloin syntyy nukleiinihappoketju.

Sekundaarirakenteena on kaksoiskierre, α-helix, jossa emäsparit liittyvät oikeakätisesti yhteen siten että muodostuu A-T ja C-G pareja. Yhdessä helixin kierteessä on kymmenen emäsparia.

Geeni

Geenit ovat perintötekijöitä, jotka periytyvät vanhemmilta lapsille lisääntymisessä. Suppeimmillaan geeni sisältää rakennusohjeet tietyn proteiinin rakentamiseen elimistössä. Geenit ja niiden aktivoituminen määräävät kaikkien eliöiden ulkoasun ja ominaisuudet. Ihmisellä geenit on tallennettu solun tumasta löytyviin kromosomeihin.

Geeni, eli pätkä DNA:ta proteiniinin valmistuskoodina on esimerkki myös elämän tiedon koodista, sen tasoista ja siitä miten määrä muuttuu tietyn kynnyksen jälkeen laaduksi. Jos X on proteiinin koodaamiseen tarvittava määrä kodoneja (aminohappoja), niin pienemmillä määrillä ei ole vielä uutta merkitystä, ne ovat vain X - Y (Y<X) kappaletta peräkkäisiä kodoneja. X kappaletta kodoneja on sitten proteiinin koodi.

Kuten tiedossakin yleisesti, geeneissäkin on havaittu tasoja. Siis:

geneejä, jotka kontrolloivat proteiinien valmistusta
geenejä, jotka kontrolloivat geenejä (käynnistävät ja estävät geenejä käynnistymästä)
ja todennäköisesti myös geenejä, jotka kontrolloivat geenejä jotka kontrolloivat geenejä.

RNA

RNA on ribonukleiinihappo, jota käytetään solun sisällä tiedon siirtoon ja jossain tapauksissa geneettisenä materiaalina.

RNA eroaa DNA:sta rakenteeltaan seuraavasti: deoksiriboosin tilalla polynukleotidiketjussa on riboosi ja tymiinin tilalla emäksenä on urasiili.

RNA:lla on useita käyttötarkoituksia ja tyyppejä: lähetti-RNA eli mRNA kuljettaa DNA:sta kopioitua tietoa tumasta solulimaan, jossa sen perusteella tuotetaan proteiineja ribosomeissa. Kukin RNA-molekyyli kopioi vain lyhyen osan yhden DNA:n informaatiosta, joten RNA-molekyylit ovat lyhyempiä kuin DNA ja useimmiten niissä on vain yksi säie.

Muita RNA:n tyyppejä ovat siirtäjä-RNA (tRNA) ja ribosomi-RNA (rRNA). Siirtäjä-RNA toimii aminohappojen kuljettajana tuoden valkuaisainetta valmistavalle ribosomille omaa koodaustaan vastaavan aminohapon. Ribosomi-RNA:ta on ribosomissa joka rakentaa proteiineja aminohapoista.

Joissain viruksissa geneettisenä materiaalina on kaksisäikeinen RNA (dsRNA).

Proteiinisynteesi ja kopioituminen

DNA kahdentuminen

Geenissä sarja DNA:n nukleotidejä muodostaa ohjeen proteiinin valmistamiseen. Kolmen peräkkäisen emäksen jakso on kodoni, se määrää proteiinisynteesissä käytettävät aminohapot. Kullekin aminohapolle on ainakin yksi tai useampia kodoneja. Lisäksi on aloitus- ja lopetuskodoneja, jotka kuvaavat geneettisen koodin alkua tai loppua.

Valmistettaessa proteiineja DNA:n perusteella kaksoiskierre avautuu helikaasi-entsyymin avulla, ja DNA:n sisältämästä informaatiosta valmistetaan kopio käyttäen vain toista ketjua lähetti-RNA:na (engl. messenger RNA, mRNA). Lähetti-RNA-molekyyli siirtyy solun tumasta solulimaan ribosomille, jossa polypeptidien valmistus tapahtuu.

Proteiinien synteesi alkaa (aitotumallisessa solussa) tumassa, jossa DNA:n transkriptio tapahtuu. Transkriptiossa DNA:sta kopioidaan mRNA joka on peilikuva alkuperäiselle geenille. Transkriptiota ohjaavat useat transkriptiofaktorit, jotka säätelevät kyseisen geenin kopiointia mRNA:ksi. mRNA kulkee tumakalvon läpi tumahuokosten kautta solulimaan. Ennen kuin mRNA:sta aletaan tekemään proteiineja tapahtuu mRNA:n splicing. Splicing tarkoittaa intronien poistamista geenin koodaavien osien (eksonien) välistä. Splicing voi tapahtua monella tavalla, ja joskus voi muutama eksonikin poistua mRNA:sta. Vaihtoehtoisen splicingin avulla yhdestä geenistä saadaan useita hieman erilaisia proteiineja. Splicingin jälkeen on vuorossa mRNA:n translaatio: mRNA:n nukleotidijärjestys muutetaan proteiinin aminohappojärjestykseksi. mRNA:n kolmen peräkkäisen emäksen muodostava kodoni vastaa aina tiettyä aminohappoa. Koska neljästä emäksestä saadaan 64 erilaista kolmen emäksen yhdistelmää, ja aminohappoja on vain n. 20, niin jokaista aminohappoa vastaa usea kodoni (yhdistelmä). Translaatio tapahtuu joko soluliman vapaissa ribosomeissa tai endoplasmakalvostoon kiinnittyneissä ribosomeissa. Ensimmäisessä vaihtoehdossa proteiini jää solulimaan tai kulkeutuu tumaan. Jälkimmäisessä tuotetaan proteiineja eksosytoitaviksi (ks. alla) tai kalvoproteiineiksi (esim. solukalvolle, tumakalvolle, endoplasmakalvostolle). Translaatiossa ribosomi kiinnittyy mRNA-ketjuun. tRNA-molekyylit (siirtäjä-RNA, engl. transfer RNA l. tRNA) käy sovittamassa omaa antikodoniaan (kodonin peilikuva) mRNA:n kodoniin. Jos ne täsmäävät, niin tRNA jää paikalle, ja ribosomi siirtyy seuraavan kodonin kohdalle. Näin aminohappoketju pitenee, kunnes tullaan lopetuskodonin (ACT, ATC tai ATT) kohdalle. Proteiinin täytyy seuraavaksi laskostua, ja siihen liitetään endoplasmakalvostossa ja Golgin laitteessa hiilihydraattiosia.

Solun jakautumisessa sen DNA on myös kopioitava. Kopioidessa DNA:n kaksoiskierre avautuu ja DNA:n molemmat säikeet täydennetään täydelliseksi kopioksi.

DNA:n epäsymmetrisyyden vuoksi entsyymit voivat lukea sitä vain yhteen suuntaan, jota nimitetään 5′-3′ -suunnaksi. DNA-polymeraasi-δ täydentää toista säiettä 5′-3′ -suuntaan ja DNA-polymeraasi-ε toista säiettä. Koska toista säiettä ei voi kopioida kerralla, polymeraasi-ε tuottaa kopioita 100-200 emäsparin palasissa, Okazaki-fragmenteissa, jotka toinen entsyymi, DNA-ligaasi, yhdistää yhtenäiseksi ketjuksi. Lopputuloksena syntyy kaksi täydellistä kopiota DNA:sta, joissa molemmissa toinen ketju on alkuperäinen ja toinen täydennetty.

Ihmisen yhden kromosomin DNA:ssa on keskimäärin 150 miljoonaa emäsparia, joita voidaan kopioida 50 emäsparia sekunnissa. Kokonaisuudessaan kopiointi kestää vain tunnin, kun se aloitetaan monesta kohtaa yhtäaikaisesti. Kopioinnissa on virheenkorjausmekanismeja, joiden ansiosta keskimäärin vain yksi 10 miljardista emäsparista kopioituu väärin.