DNA (deoksiribonukleiinihappo) on yksi tärkeimmistä molekyyleistä kehossasi, ja vaikka noin 99,9 % DNA:stasi on samanlaista kuin jokaisella muulla ihmisellä, 0,1 %:n erilainen osuus tekee sinusta geneettisesti ainutlaatuisen! Tämä pieni biologinen rakenne on perimmäinen ohjekirja, joka sisältää ”reseptit” proteiineille, joita kehosi tarvitsee kehittyäkseen ja toimiakseen.

Tänään kerromme sinulle DNA:n perusteet. Puhumme sen rakenteesta, siitä, miten se monistuu, ja sen roolista proteiinien tuotannossa.

DNA:n rakenne: Phenomenal Biological Powers…Itty Bitty Living Space

Tiesitkö, että keskivertoihmisen solussa on noin 2 metriä (6ft) DNA:ta? Se on aika vaikuttavaa, kun otetaan huomioon, että suurimmatkin solut ovat halkaisijaltaan vain hieman yli 100µm. (Se on muuten todella pientä – 1µm on metrin miljoonasosa.)

Miten kaikki tuo geneettinen materiaali on pakattu paljon pienempään tilaan kuin nuppineulan pää? Lyhyt vastaus on suuri määrä kierrettä ja käämitystä. DNA kietoutuu histoneiksi kutsuttujen proteiiniryhmien ympärille muodostaen nukleosomeiksi kutsuttuja yksiköitä. Nukleosomit taittuvat siksak-kuvioiseksi kuiduksi, joka muodostaa silmukoita.

Jokaisessa ihmiskehon somaattisessa solussa on 46 erillistä DNA-juostetta. Jokaista näistä kutsutaan kromosomiksi. Tutkijat ryhmittelevät ne 23 homologiseen pariin, mikä tarkoittaa, että kunkin parin kromosomit ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan samanlaisia. Ainoa poikkeus tästä on 23. pari – sukupuolikromosomit – biologisesti miespuolisilla yksilöillä. X- ja Y-sukupuolikromosomeissa on vain tiettyjä alueita (autosomaalisia alueita), jotka ovat homologisia.

Molekyylitasolla DNA:lla on tyypillinen kaksoiskierteen muoto, ja vaikka tiedemiehet havaitsivat sen vasta 1900-luvun puolivälissä, siitä on nopeasti tullut yksi koko tieteen ikonisimmista muodoista.

Kuva lähteestä A&P 6.

Tämän kieroutuneen tikapuun sivut koostuvat vuorotellen sokerimolekyyleistä (tarkalleen ottaen deoksiriboosista) ja fosfaattiryhmästä. Kukin sivu on nimetty sen mukaan, mihin suuntaan se kulkee (5′-3′ tai 3′-5′). Tikkaiden ”askelmat” koostuvat kahdesta typpiemäksestä, joita vetysidokset pitävät yhdessä.

Kuvan luotto: Madeleine Price Ball (Wikimedia Commons).

DNA:n säikeissä on neljä typpiemästä – sytosiini, tymiini, adeniini ja guaniini. Kemialliselta rakenteeltaan sytosiini ja tymiini ovat pyrimidiiniä ja adeniini ja guaniini puriinia. Adeniini ja tymiini (A ja T) muodostavat aina parin, ja guaniini ja sytosiini (G ja C) muodostavat aina parin. Ne muodostavat näin parin, koska A ja T muodostavat kaksi vetysidosta keskenään ja G ja C kolme.

Alkeellisimmillaan DNA-säikeiden eri osat (typpiemäsjaksot) antavat ohjeita proteiinien synteesiin. Yksi DNA:n osa voi jopa koodata useita proteiineja!

Replikaatio: DNA:n kahdentuminen

Kuva A&P 6:sta.

Solun DNA:n monistuminen tapahtuu ennen kuin solu valmistautuu jakautumaan – joko mitoosiin tai meioosi I:een.

Se tapahtuu kolmessa(kin) vaiheessa.

1. DNA purkautuu histoneista.
2. DNA-eliksaasi-niminen entsyymi avaa DNA:n segmentin kierteisen rakenteen ja rikkoo typpiemästen väliset sidokset. Se tekee tämän vetoketjumaisesti jättäen jälkeensä replikaatiohaarukan.
3. Tässä kohtaa asiat muuttuvat hankaliksi.

• DNA:n 5′-3′-juosteessa DNA-polymeraasi-niminen entsyymi liukuu kohti replikaatiohaarukkaa ja käyttää tuon juosteen typpiemäsjärjestystä tehdäkseen uuden DNA-juosteen, joka on komplementaarinen (tämä tarkoittaa, että sen emäkset muodostavat parin vanhan juosteen emästen kanssa).
• 3′-5′-juosteessa useat DNA-polymeraasit sovittavat emäspareja yhteen osittaisissa segmenteissä ja liikkuvat poispäin replikaatiohaarukasta. Myöhemmin DNA-ligaasi yhdistää nämä osittaiset säikeet uudeksi jatkuvaksi DNA-segmentiksi.

Tahdotko tietää jotain siistiä? Kun DNA-molekyyli replikoituu, jokainen syntyvä uusi DNA-molekyyli sisältää säikeen alkuperäisestä, joten kumpikaan ei ole täysin ”uusi”. Myös uusia histoneja valmistetaan samaan aikaan, kun DNA replikoituu, jotta uudet DNA-juosteet voivat kietoutua niiden ympärille.

Väliaika: RNA vs. DNA

Ennen kuin keskustelemme transkriptiosta ja translaatiosta, kahdesta proteiinisynteesin kannalta keskeisestä prosessista, meidän on puhuttava toisenlaisesta molekyylistä: RNA.

RNA muistuttaa paljon DNA:ta – sillä on sokeri-fosfaattirunko ja se sisältää typpiperäisten emästen sekvenssejä. RNA:n ja DNA:n välillä on kuitenkin pari elintärkeää eroa:

• RNA:ssa on vain yksi nukleotidiketju. Se näyttää vain DNA:n tikapuiden toiselta puolelta.

• RNA:n selkärangan sokerina on riboosi.

• RNA:ssa on tymiinin sijasta urasiili (U).

• RNA on pienempi kuin DNA. RNA:n enimmäispituus on noin 10 000 emästä, kun taas DNA:lla on keskimäärin noin 100 miljoonaa emästä.
• RNA voi poistua ytimestä. Itse asiassa se tekee suurimman osan työstään sytoplasmassa.

RNA:ta on useita eri tyyppejä, joilla kullakin on erilaiset tehtävät, mutta tässä artikkelissa keskitymme sanansaattaja-RNA:han (mRNA) ja siirtorNA:han (tRNA).

Proteiinin valmistus, osa 1: Transkriptio

Transkriptio on proteiinin valmistusprosessin ensimmäinen vaihe, vaikka varsinainen proteiinisynteesi tapahtuu vasta toisessa vaiheessa. Transkription aikana tapahtuu pohjimmiltaan se, että mRNA ”kopioi alas” proteiinin valmistusohjeet DNA:sta.

Kuva A&P 6:sta.

Ensin RNA-polymeraasi-niminen entsyymi avaa DNA:n osan ja kokoaa mRNA:n säikeen ”lukemalla” DNA:n toisen säikeen emäsjärjestyksen. Jos DNA:ssa on C, RNA:ssa on G (ja päinvastoin). Jos DNA:ssa on T, RNA:ssa on A, mutta jos DNA:ssa on A, RNA:ssa on U (T:n sijasta). Kun RNA-polymeraasi kulkee DNA-juostetta pitkin, se sulkee kierteisen rakenteen takaisin perässään.

Ennen kuin uusi mRNA voi lähteä toimittamaan proteiinien valmistusohjeita, entsyymit ”puhdistavat” sen. Ne poistavat introneiksi kutsuttuja osia ja liittävät sitten jäljelle jäävät osat, joita kutsutaan eksoneiksi, yhteen. Eksonit ovat sekvenssejä, jotka itse asiassa koodaavat proteiineja, joten ne on säilytettävä mRNA:ssa. Voit ajatella intronien olevan kuin pehmusteita eksonien välissä.

Muistatko myös, kun mainitsin, että yksi DNA-sekvenssi voi koodata useita proteiineja? Vaihtoehtoinen liittäminen on syy tähän: ennen kuin mRNA lähtee ytimestä, sen eksonit voidaan liittää yhteen eri tavoin.

Proteiinin tekeminen, osa 2: Translaatio

Kun kaikki on siivottu ja valmista, mRNA lähtee ytimestä ja täyttää kohtalonsa: se osallistuu translaatioon, proteiinien rakentamisen toiseen puoleen.

Sytoplasmassa mRNA:n on liityttävä tRNA:han ribosomin avulla. tRNA on eräänlainen RNA, jolla on paikka sitoutua vapaisiin aminohappoihin ja erityinen kolmen typpiemäksisen emäksen sekvenssi (antikodoni), joka sitoutuu ribosomiin.

Ribosomit ovat organelleja, jotka helpottavat tRNA:n ja mRNA:n kohtaamista. Translaation aikana ribosomit ja tRNA seuraavat mRNA:n ohjeita ja kokoavat aminohappoja proteiineiksi.

Kuva lähteestä A&P 6.

Jokainen ribosomi koostuu kahdesta alayksiköstä (suuri ja pieni). Nämä yhdistyvät translaation alussa. Ribosomaaliset alayksiköt löytyvät yleensä kellumasta sytoplasmassa, mutta ribosomi telakoituu karkeaan endoplasmaattiseen retikulumiin, jos sen valmistama proteiini on laitettava kuljetusvesikkeliin. Ribosomeilla on myös kolme sitoutumiskohtaa, joihin tRNA voi telakoitua: A-kohta (aminoasyyli, ensimmäinen asema), P-kohta (peptidyyli, toinen asema) ja E-kohta (poistumispaikka).

Translaatiossa on kolme vaihetta: initiaatio, elongaatio ja lopetus.

Initiaation aikana mRNA:n säie muodostaa silmukan, ja pieni ribosomaalinen alayksikkö (ribosomin pohja) koukistuu siihen ja löytää emäsjärjestyksen, joka antaa sille signaalin transkription aloittamisesta. Tätä kutsutaan aloituskodoniksi (AUG).

Sitten tRNA, jossa on UAC-antikodoni, muodostaa parin tämän aloituskodonin kanssa ja asettuu ribosomin toiselle paikalle (P). Tämä tRNA kuljettaa aminohappoa metioniini (Met). Tässä vaiheessa myös suuri ribosomaalinen alayksikkö asettuu paikalleen (se on mRNA:n yläpuolella ja pieni alayksikkö alapuolella).

Elongaatiovaiheessa täysin koottu ribosomi alkaa liukua mRNA:ta pitkin. Oletetaan, että seuraava emäsjakso, jonka se kohtaa aloituskodonin jälkeen, on GCU. TRNA-molekyyli, jonka antikodoni on CGA, sitoutuu ribosomin ensimmäiseen sijaintipaikkaan (A). Sen kuljettama aminohappo (alaniini) muodostaa peptidisidoksen Metin kanssa. Tämän jälkeen CGA-tRNA (joka kuljettaa Met-Ala-ketjua) siirtyy toiseen asemaan ja UAC-tRNA siirtyy E-sitoutumiskohtaan. Ensimmäisen paikan paikka on sitten valmis ottamaan vastaan uuden tRNA:n. Tämä prosessi jatkuu, kunnes ribosomi pääsee ”stop”-koodoniin.

Videomateriaalia A&P 6:sta.

Terminaatio on aika lailla sitä, miltä se kuulostaa. Saavuttaessaan ”stop”-koodonin tRNA, joka sitoutuu ensimmäiseen asemaan, kantaa mukanaan vapautumistekijäksi kutsuttua proteiinia. Tämän jälkeen aminohappoketju irtoaa ribosomista joko sytosoliin tai karkean ER:n cisternaan, ja ribosomi hajoaa. Se voi kuitenkin hyvinkin kokoontua uudelleen ja kiertää mRNA-silmukan uudelleen. Lisäksi useat ribosomit voivat työskennellä saman mRNA:n parissa yhtä aikaa!

Ja nuo ovat DNA:n perusasiat!

Tässä on kätevä kaavio, jota voit katsoa, jos haluat muistaa transkription, translaation ja replikaation erot:

.

	Sijainti	Tarkoitus	Pääosa Osallistujat	Tuote(t)
Replikaatio	Ydin	Kokonaisen DNA-juosteen monistaminen	DNA DNA-heliksaasi DNA-polymeraasi DNA-ligaasi	2 identtistä DNA-juostetta
Transkriptio	Tuma	Käyttää DNA-juostetta rakentaakseen mRNA-molekyylin	DNA RNA-polymeraasi (DNA. ligaasi)	mRNA
Translaatio	Sytoplasma	MRNA:n käyttäminen aminohappoketjun rakentamiseen	mRNA Ribosomi tRNA (ja aminohapot)	Aminohappoketju (valkuaisaine)

>
Jos haluat oppia lisää soluista, tutustu näihin aiheeseen liittyviin VB Blogin viesteihin:

• Anatomia & Fysiologia: Ihmissolun osat
• Pieni kuljetus: Passive vs. Active Transport in Cells

Muista tilata Visible Body Blog lisää anatomian mahtavuutta!

Oletko kouluttaja? Meillä on palkittuja 3D-tuotteita ja resursseja anatomian ja fysiologian kursseillesi! Lue lisää täältä.