Nukleiinihapot varastoivat ja välittävät perinnöllistä informaatiota

Transkriptio

1 Nukleiinihapot varastoivat ja välittävät perinnöllistä informaatiota Polypeptidin aminohappojärjestyksen määrää perinnöllisyyden yksikkö, jota kutsutaan geeniksi Geenit muodostuvat DNA:sta, joka on polymeerinen nukleiinihappo Nukleiinihapot koostuvat monomeereista, joita kutsutaan nukleotideiksi Nukleiinihappoja on kahdenlaisia Deoksiribonukleiinihappo (DNA) Ribonukleiinihappo (RNA)

2 Nukleiinihappojen tehtävät DNA- ja RNA-molekyylit mahdollistavat eliöiden rakenteen ja toiminnan periaatteiden siirtymisen sukupolvelta toiselle Eliöt perivät DNA:n vanhemmiltaan Ennen kuin solu jakautuu, sen DNA kahdentuu kopioitumalla Jakautuvat solut saavat siten oman, identtisen kopion DNA:n monistuminen (replikaatio) on itseohjautuvaa ja perustuu sen kaksijuosteiseen rakenteeseen

3 Nukleiinihappojen tehtävät DNA:n geenit ohjaavat lähetti-rna:n (mrna) synteesiä ja sen välityksellä proteiinisynteesiä Geneettisen informaation suunta on siten DNA RNA proteiini Tätä kutsutaan molekyylibiologian keskeiseksi opinkappaleeksi (Central Dogma, Francis Crick 1958, 1970) proteiinien sisältämää informaatiota ei voida käyttää nukleiinihappojen tuottamiseen, vaan prosessi on yksisuuntainen

4 Central Dogma: Nykyinen käsitys yksinkertaistettuna

5 Nukleiinihappojen tehtävät Proteiinisynteesi tapahtuu ribosomeissa Eukaryooteilla DNA on tumassa, mutta useimmat ribosomit sytoplasmassa Lähetti-RNA (mrna, messenger RNA) kuljettaa geneettiset ohjeet proteiinien valmistamiseksi tumasta sytoplasmaan Prokaryooteilla ei ole tumaa, mutta informaatio DNA:sta ribosomeille kulkeutuu samoin mrna:n muodossa Proteiinisynteesiin osallistuu myös kaksi muuta RNAmolekyyliä: siirtäjä-rna (trna) ja ribosomaalinen RNA (rrna)

6 DNA 1 Synthesis of mrna mrna NUCLEUS CYTOPLASM 2 3 Movement of mrna into cytoplasm Synthesis of protein mrna Ribosome Polypeptide Amino acids

7 Nukleiinihappojen rakenne Nukleiinihapot ovat polymeerejä: polynukleotideja Polynukleotidit koostuvat monomeereista: nukleotidit Nukleotidit koostuvat typpeä sisältävästä emäksestä, pentoosisokerista ja yhdestä tai useammasta fosfaattiryhmästä Nukleotidin osa, jossa ei ole fosfaattiryhmiä, on nukleosidi Nukleosidi = emäs + sokeri Nukleotidi = emäs + sokeri + fosfaattiryhmä(t), eli Nukleotidi = nukleosidi + fosfaattiryhmä(t)

8 5 end 5 C Sugar-phosphate backbone 3 C Nucleoside Nitrogenous base 5 C 5 C 3 C Phosphate group (b) Nucleotide 3 C Sugar (pentose) 1 C 3 end (a) Polynucleotide, or nucleic acid

9 Nukleiinihappojen rakenne Nukleiinihappojen emäksiä on kahdenlaisia: Pyrimidiinit (sytosiini, tymiini ja urasiili), joissa on yksi kuusijäseninen rengasrakenne Puriinit (adeniini ja guaniini), joissa on kaksi rengasrakennetta, kuusi- ja viisijäseninen Emäkseen liittynyt pentoosisokeri on DNA:ssa deoksiriboosi, RNA:ssa riboosi Ainoa ero 2-hiilestä puuttuva happiatomi deoksiriboosissa Emäksen hiilet merkitään numeroilla, sokerin numeroihin lisätään erotukseksi siis 2-hiili (emäs) tai 2 -hiili (sokeri)

10 Nitrogenous bases Pyrimidines Cytosine (C) Thymine (T, in DNA) Purines Uracil (U, in RNA) Sugars Adenine (A) Guanine (G) Deoxyribose (in DNA) Ribose (in RNA) (c) Nucleoside components

11

12 DNA:n ja RNA:n ero on pentoosisokerin 2 -hiilessä: Riboosissa hydroksyyli (OH), Deoksiriboosissa vetyatomi (H) Deoksi = happi puuttuu Nukleosideissa emäs kiinnittyy pentoosin 1 -hiileen

13 Nukleotidipolymeerien rakenne Toisiinsa liittyneet nukleotidit muodostavat polynukleotidin Polymeerin vapaat päät ovat erilaiset: Toisessa päässä on fosfaatti liittyneenä 5 -hiileen (5 -pää) Toisessa taas hydroksyyli liittyneenä 3 -hiileen (3 -pää) Vierekkäisiä nukleotideja yhdistävät kovalenttiset sidokset, jotka ovat nukleotidin 3 -hiilen hydroksyyliryhmän (-OH) ja seuraavan nukleotidin 5 -hiilen fosfaattiryhmän välillä Näiden fosfodiesterisidosten välityksellä muodostuu polynukleotidin sokerifosfaattirunko, johon emäkset liittyvät

14 Polynukleotidien (DNA ja RNA) sokerifosfaattirungon 5 -pää ja 3 -pää viittaavat pentoosin 5 - ja 3 -hiiliin: 3 -hiili on osa rengasrakennetta 5 -hiili on renkaasta erillään Polynukleotidissa 3 -päässä on hydroksyyli (OH), 5 -päässä fosfaatti

15 5 end 5 C Sugar-phosphate backbone 3 C Nucleoside Nitrogenous base 5 C 5 C 3 C Phosphate group (b) Nucleotide 3 C Sugar (pentose) 1 C 3 end (a) Polynucleotide, or nucleic acid

16 Nukleotidipolymeerien rakenne Polynukleotidilla on rakenteestaan johtuen suunta, mikä on olennaista monet prosessit tapahtuvat vain yhteen suuntaan, kuten DNA:n replikaatio (5 3 suuntaan) Emäkset luetellaan aina 5 3 suuntaan GCTA on eri asia kuin ATCG

17 DNA:n ja RNA:n rakenne RNA-molekyylit esiintyvät yleensä yksittäisinä polynukleotidiketjuina DNA-molekyyleissä on kaksi polynukleotidia (vastinjuostetta), jotka ovat kiertyneenä kuvitteellisen akselin ympärille, muodostaen kaksoiskierteen Kaksoiskierteessä vastinjuosteiden sokerifosfaattirungot ovat järjestäytyneet vastakkaisiin 5 3 -suuntiin toisiinsa nähden (antiparallel arrangement) Sokerifosfaattirungot ovat kaksoiskierteen ulkokehällä Vastinjuosteet ovat liittyneet toisiinsa kierteen sisäpuolella sijaitsevien emästen vetysidosten välityksellä

18 Figure The two strands of DNA are antiparallel

19 Emäkset ovat tasomaisia molekyylejä, ja ovat asettuneet kohtisuoraan kaksoiskierteen pituusakseliin nähden (kuten askelmat kierreportaissa) Vastinjuosteiden väliin jää kaksoiskierteessä tietty etäisyys, mikä on juuri sopiva puriini- ja pyrimidiiniemästen yhdistelmälle Puriini-puriini liian pitkä, pyrimidiini-pyrimidiini liian lyhyt Lisäksi emästen tiettyjen atomien täytyy asettua juuri oikeaan asemaan toisiinsa nähden, jotta vetysidokset voisivat muodostua Siksi DNA:n emäkset pariutuvat vetysidosten välityksellä aina samoin (komplentaarinen pariutuminen): adeniini (A) ja tymiini (T) guaniini (G) ja sytosiini

20 Figure 5.x3 James Watson and Francis Crick

21 Figure 16.4 Rosalind Franklin and her X-ray diffraction photo of DNA Franklin had "an air of cool superiority Without Franklin's permission or knowledge, Wilkins showed Watson Franklin's famous photograph 51. (Franklin s Wikipedia entry)

22 Wikimedia Commons

23 5 3 Sugar-phosphate backbones Hydrogen bonds Base pair joined by hydrogen bonding 3 (a) DNA 5 Base pair joined by hydrogen bonding (b) Transfer RNA

24 Unnumbered Figure (page 292) Purine and pyridimine

25 Komplementaarisessa pariutumisessa emästen typpi- ja happiatomien täytyy sijaita juuri sopivissa kohdissa, jotta polynukleotidien rakenteen edellyttämät vetysidokset voivat syntyä Tämänkin vuoksi siis vain A ja T, ja toisaalta G ja C, voivat pariutua (Toinen syy oli emästen koko, ja emäsparin siten vaatima tila)

26 Tästä emäspariutumisen säännöstä seuraa, että jos tiedämme yhden juosteen sekvenssin, niin tiedämme myös vastinjuosteen sekvenssin: juosteet ovat komplementaarisia Ennen solunjakautumista kumpikin vastinjuoste toimii templaattina määräten muodostuvan uuden vastinjuosteen sekvenssin Alkuperäisestä kaksijuosteisesta DNA:sta saadaan siten kaksi identtistä kopiota tytärsoluihin Tällä mekanismilla varmistetaan, että koko genomin sisältämä informaatio välitetään solujen jakautuessa

27 Figure 5.30 The DNA double helix and its replication

28

29 Yleensä DNA on kaksoiskierre ja RNAt vaihtelevan muotoisia RNA:ssa tymiinin korvaa urasiili (U), joten A ja U pariutuvat Komplementaarista pariutumista voi tapahtua myös kahden RNAmolekyylin välillä tai saman RNA-molekyylin eri osien välillä Siirtäjä-RNA:n (trna) toiminnallinen muoto on seurausta nukleotidien emäspariutumisesta niissä paikoin molekyyliä, joissa juosteessa on vastakkaissuuntaisia komplementaarisia alueita Näin muodostuu suurin piirtein L-kirjaimen muotoinen trnamolekyyli, joka kuljettaa aminohapot ribosomeille polypeptidien synteesiä varten

30 5 3 Sugar-phosphate backbones Hydrogen bonds Base pair joined by hydrogen bonding 3 (a) DNA 5 Base pair joined by hydrogen bonding (b) Transfer RNA

31 DNA:n ja RNA:n rakenne DNA- ja mrna-polymeerien emäsjärjestys on kullekin geenille ominainen Koska geenit ovat sadoista tuhansiin emästä pitkiä, mahdollisten emäsjärjestysten (sekvenssien) määrä on käytännössä rajaton, vaikka emäksiä on vain neljä DNA:n emästen sekvenssi määrää proteiinien aminohapposekvenssin (primäärirakenteen), joka puolestaan määrää proteiinien kolmiulotteisen rakenteen ja sen toiminnan solussa Useimmissa DNA-molekyyleissä on tuhansista miljooniin emäsparia, mikä puolestaan tarkoittaa useita geenejä, satoja tai enemmän

32 DNA ja proteiinit evoluution mittanauhana Geenit (DNA) ja niiden tuotteet (proteiinit) ovat eliöiden perinnöllisen taustan ilmentymä ja dokumentoivat sen Koska DNA-molekyylit periytyvät vanhemmilta jälkeläisille, sisarusten DNA ja proteiinit ovat samankaltaisempia kuin niiden saman lajin yksilöiden, jotka eivät ole toisilleen läheisempää sukua Tämä mahdollistaa molekulaarisen sukututkimuksen, jota voidaan käyttää myös lajien välisten sukulaisuussuhteiden tutkimukseen

33 Molekyylit lajien välisten sukulaisuussuhteiden mittana Kahden toisilleen sukua olevan lajin (esim. fossiiliaineiston perusteella) pitäisi muistuttaa toisiaan myös DNA- ja proteiinisekvenssien suhteen Molekyylibiologian menetelmiä voidaan siten käyttää myös evolutiivisten suhteiden määrittämiseen Verrataan esim. ihmisen hemoglobiinin 146:n aminohapon sekvenssiä muiden selkärankaisten hemoglobiineihin: Ihmiset ja gorillat eroavat vain yhden aminohapon suhteen Ihmisten ja sammakoiden välillä on 67:n aminohapon ero Kaikilla selkärankaisilla on kuitenkin samalla periaatteella toimiva hemoglobiini

34 Lego-DNA: huomaatteko jotain, joka ei sovi juuri opittuun? Wikimedia Commons

35 Unnumbered Figure (page 292) Purine and pyridimine

36 Lego-DNA: emäkset samankokoisia? Ratkaisu: kaksi palikkaa puriini-, yksi pyrimidiiniemäksiin Wikimedia Commons

37 The large, plastic and metallic sculpture parked outside UC Berkeley s Lawrence Hall of Science, is stoking the angry fires of parents of children who attend nearby Claremont Park Elementary School. My daughter suggested that it was funny, said John Copeland, whose 7-year-old daughter attends summer camp there. She shouldn t be talking to me about this. Now I m forced to explain genetics to her, and why the Bible doesn t say anything about it. Although DNA Sculpture has been on display in various public parks and playgrounds, Jenny Garrotte, Claremont Park PTA president, said she found it distasteful and verging on obscene, and ed parents Wednesday morning, asking them to file complaints with Pegro and with Alameda County Code Enforcement.

38 Kertaukseksi makromolekyylien vertailua:

39 Kumpi on DNA?

40 Ylemmän molekyylin pentoosin 2 -hiilessä ei ole happea: deoksi-

41 Myös ATP on nukleotidi

42 Muita nukleotideja Pyridiininukleotidit NAD (nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi) NADP (nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti) NAD + lähinnä reaktioissa, joiden tarkoitus tuottaa solulle energiaa eli orgaanisten yhdisteiden hapetuksessa NADP + lähinnä synteettisissä reaktioissa toimivat elektronien siirtäjinä hapetus-pelkistysreaktioissa kun substraattia hapetetaan poistamalla siitä elektroneja tai kun sitä pelkistetään luovuttamalla sille elektroneja

43 NAD+ pelkistyy itse NADH:ksi hapettaessaan muita yhdisteitä

44 NAD+ pelkistyy itse NADH:ksi hapettaessaan muita yhdisteitä Huomaa rakenne: dinukleotidi

45 NAD+ pelkistyy itse NADH:ksi hapettaessaan muita yhdisteitä NADP(H):ssa on vielä kolmas fosfaatti adenosiinin riboosin 2-hiilessä

46 Flaviinikoentsyymit ovat nukleotideja FAD (flaviiniadeniinidinukleotidi) FMN (flaviinimononukleotidi) B2-vitamiini (riboflaviini) = FMN fosfaatti