II Genetiikka 4.(3) Nukleiinihapot

Transkriptio

1 II Genetiikka 4.(3) Nukleiinihapot

2 Geenitekniikka - menetelmiä, joiden avulla dna:ta ja rna:ta voidaan eristää, muokata ja siirtää muihin soluihin tai eliöihin

3 kromosomit koostuvat dna-rihmasta ja siihen liittyvistä histoniproteiineista = kromatiinirihma sentromeeri telomeeri kromatidi = kromosomin haara sisarkromatidit = kahdentuneen kromosomin identtiset kromatidirihmat tytärkromosomit = tumanjakautumisessa kahdentumalla syntyneet identtisiä kromosomeja

4 dna koostuu nukleotideista, jotka sisältävät deoksiriboosin, fosfaatin ja emäksen (adeniini tymiini, sytosiini guaniini) 3 pää = sokeripää 5 pää = fosfaattipää

5

6 plasmidit ovat pieniä dna:ta sisältäviä rakenteita bakteereilla myös hiiva- ja sienisoluissa dna-virukset: 1- tai 2- juosteista dna:ta rna-virukset: 1- tai 2- juosteista rna:ta

7 Rna-molekyylit useimmiten yksijuosteista riboosi-sokeri, tymiiniä vastaa urasiili

8 eri rna-tyyppejä: lähetti-rna: kopioi tumassa DNAsta ohjeen proteiinin valmistukseen ja kuljettaa sen solulimaan

9 aminohappo kiinnittyy siirtäjä-rna: kuljettaa solulimassa aminohappoja ja liittää niitä ketjuksi ribosomilla tripletin tunnistus antikodonin avulla

10 ribosomi-rna: solulimassa ribosomin rakenneosa

11 Mitokondrio-rna emäsparia 37 geeniä: proteiinien, siirtäjä-rna:n ja ribosomi-rna:n valmistamista varten periytyy äidin munasolussa jälkeläisille mutaatioita tapahtuu paljon voidaan käyttää suku- ja evoluutiotutkimuksessa

12 - alle 5% dna:sta 5.Geenit - koostuvat emäskolmikoista (tripleteistä), joista kukin vastaa tiettyä aminohappoa (taulukko) - dnassa on koodaava juoste ja mallijuoste - (malli)juosteen kolmikot = kodonit - emäskolmikoiden järjestys = lukukehys

13 A. Geenien rakenne: 1. Säätelyalue 5.Geenit Määrää, missä, milloin ja kuinka aktiivisesti geeni toimii 2. Koodaava alue Sisältää rna-molekyylin valmistusohjeen Eksonit koodaavia jaksoja Intronit ei-koodaavia jaksoja Esim. aloituskoodimattirtiuhuinajaaölääikcxvpyörälläkds sdsdsdsdlopetuskoodi

14 - aitotumaisilla: yksi säätelyalue + yksi koodaava alue - esitumaisilla: operoni = yksi säätelyalue + monta koodaavaa aluetta

15 B. Geenien toiminta: kaikissa soluissa on kaikki geenit, mutta: - vain pieni osa geeneistä on kerrallaan toiminnassa - eri kudoksissa toimivat eri geenit - alkiolla toimivat eri geenit kuin aikuisella - monet geenit lukkiutuvat toimintansa jälkeen

16 - ylläpitogeenit toimivat kaikissa soluissa jatkuvasti - ylellisyysgeenit toimivat erikoistuneissa soluissa - tuottajageenit ohjaavat proteiinien valmistusta - säätelygeenit säätelevät muiden geenien toimintaa esim. - säätelytekijöiden kiinnittymisellä säätelyalueelle - vaihtoehtoisella silmukoinnilla

17 Epigenetiikka = muutoksia dna:n rakenteessa, jotka vaikuttavat geenien säätelyyn - ei = mutaatiot - voivat johtua esim. ympäristön ja ruokavalion vaikutuksista - esim. dnan metylaatio X-kromosomin inaktivaatio = naisilla toisen X-kromosomin geenit eivät ilmene geneettinen leimautuminen = geenin ilmenemiseen vaikuttaa se, kummalta vanhemmalta geeni on peritty

18 6. Solujen jakautuminen DNA:n kahdentuminen eli replikaatio edeltää solunjakautumista: - entsyymi avaa molekyylin useista kohdista aukaisukupliksi, jotka laajenevat molempiin suuntiin replikaatiohaarukoista

19 - nukleotidit muodostavat uudet juosteet alkuperäisten templaattien rinnalle DNA-polymeraasin avulla - uusi nukleotidi voi kiinnittyä 3 -päähän toisella puolella replikaatio etenee katkonaisesti alukkeiden avulla

20 - pistemutaatio = väärä, ylimääräinen tai puuttuva emäs - entsyymit viimeistelevät ja korjaavat - transposonit = hyppiviä geenejä = dnan emäsjaksoja, jotka voivat vaihtaa paikkaa aiheuttavat helposti mutaatioita

21

22 solunjakautuminen: mitoosi tuottaa somaattisia soluja meioosi tuottaa sukusoluja

23 7. Genomi Ihmisellä: HGP (Human Genome Project) kromosomia dna:ta n.2 metriä joka solussa n geeniä n. 3,2 miljardia emäsparia yksi geeni n emäsparin mittainen Genomiikka tutkii geneettisen tiedon merkitystä ja toimintaa Sekvensointi = emäsjärjestyksen selvittäminen (esim. geenin tai koko eliön perimän) cdna = komplementaarinen dna = lähetti-rnasta käännetty dna

24 8. Proteiinisynteesi solut tuottavat proteiineja: entsyymeiksi (esim. pepsiini) tuhansia erilaisia rakenneproteiineiksi (kollageeni) määrällisesti eniten supistuviksi proteiineiksi (aktiini) varastoproteiineiksi (munanvalkuainen) kuljetusproteiineiksi (hemoglobiini) hormoneiksi (insuliini) viestintäproteiineiksi (reseptorit) suojaproteiineiksi (vasta-aineet) proteiinimyrkyiksi (botuliini)

25 1. Jäljentäminen eli transkriptio: tumassa DNA:n koodaava juoste = geeni toinen juoste toimii mallijuosteena RNA-polymeraasi entsyymi liittää RNA-nukleotideja DNA:n mallijuosteen rinnalle geenin ohje kopioituu esilähetti-rnahan (tymiiniä vastaa urasiili) transkriptiofaktorit = säätelyproteiineja

26 intronit poistetaan esi-lähetti RNAsta silmukoinnissa, eksonit liittyvät toisiinsa vaihtoehtoinen silmukointi esim. vasta-aineen tuotannossa

27 2. Kääntäminen eli translaatio ribosomi kiinnittyy lähetti-rna:han siirtäjä-rnat kuljettavat paikalle aminohappoja emäskolmikoiden (kodoni) koodin mukaan synteesi alkaa aloituskolmikolla (TAC) ja päättyy lopetuskolmikkoon (ATT, ATC, ACT) aminohapot muodostavat peptidiketjun, josta solulimakalvostossa muodostuu proteiini

28 Dna Geeni Esiaste-rna Lähetti-rna Transkriptio Translaatio Proteiini Silmukointi Intronit, eksonit Tuma, tumakotelo Solulima, ribosomi

29

30

31 DNAsta ominaisuudeksi

32

33 9. Mutaatiot muutos perimässä aiheuttajina mutageenit, esim. jotkin kemikaalit ja säteily suurin osa spontaaneja erilaisia mutaatiotyyppejä Geenimutaatiot Kromosomimutaatiot Kromosomistomutaatiot Sirppisoluanemia Downin syndrooma

34 - Mutaation merkitys?

35 Geenimutaatio eli muutos geenin emäsjärjestyksessä Yksi emäs on muuttunut kolmikkokoodi on muuttunut yksi aminohappo on muuttunut. Emäs voi jäädä pois tai kaksinkertaistua loput kolmikkokoodit muuttuvat aminohapot muuttuvat. voi olla: hiljainen mutaatio neutraali m. missense-m. nonsense-m.

36 Kromosomimutaatiot eli kromosomin rakenne muuttuu A B C D E F G H I J A B C D E F H I J Häviämä A B C D E F G G H I J Kahdentuma A B C D E F G H I J A B C D E G F H I J Kääntymä A B C D E F G H I J K L M N O P G H I J Siirtymä

37 Kromosomistomutaatiot kromosomien lukumäärä muuttunut aneuploidiassa kromosomi puuttuu tai on liikaa monosomia (2n-1) trisomia (2n+1) polyploidiassa kokonaisia peruskromosomistoja normaalista poikkeava määrä autopolyploidia allopolyploidia haploidiassa on vain yksi peruskromosomisto (n) autopolyploidia = saman lajin kromosomisto moninkertaistunut (3n, 4n, ) allopolyploidia = kahden lajin kromosomistot yhdistyneet

38 Downin oireyhtymä

39 Ovat katalyytteinä toimivia proteiineja. Helpottavat ja nopeuttavat elimistön reaktioita. Entsyymit KOFAKTORI PROTEIINI TOIMIVA ENTSYYMI Eivät kulu reaktioissa. Kofaktori voi olla 1) epäorgaaninen ioni tai 1) orgaaninen yhdiste eli koentsyymi (esim. vitamiini tai hivenaine) Vaikuttavat vain tiettyyn aineeseen (substraattiin) tietyssä reaktiossa. Inhibiittorit voivat estää toiminnan.

40 - entsyymin vaikutus voi olla katabolinen (hajottava) tai anabolinen (rakentava) -solussa tapahtuu tuhansia entsyymien katalysoimia reaktioita

41 1. Yhdistä oikein Yhdistä kirjaimilla (a-h) merkitty käsite tarkimmin sitä vastaavaan numerolla (I-VIII) merkittyyn käsitteeseen. a) haploidi b) diploidi c) polyploidi d) iturata e) replikaatiohaarukka f) silmukointi g) antikodoni h) perimä I) siirtäjä-rna II) dna:n kahdentuminen III) sukusolujen muodostama solulinja sukupolvesta toiseen IV) ihmisen somaattinen solu V) ihmisen sukusolu VI) 5n VII) yksilön kaikki dna VIII) esiaste-rna BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

42 VASTAUS 1: Yhdistä oikein a) haploidi - V) ihmisen sukusolu b) diploidi - IV) ihmisen somaattinen solu c) polyploidi - VI) 5n d) iturata - III) sukusolujen muodostama solulinja sukupolvesta toiseen e) replikaatiohaarukka - II) dna:n kahdentuminen f) silmukointi - VIII) esiasterna g) antikodoni - I) siirtäjärna h) perimä - VII) yksilön kaikki dna BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

43 2. Termit Nimeä suomenkielinen termi tai selitys tieteellisellä tai vierasperäisellä termillä. a)kahdentumaan kykenevä perimän koodin sisältävä molekyyli b)perintötekijä c)aitotumaisen geenin lähetti-rna:ta koodaava dna-jakso d)geenin koodaavan alueen sisällä oleva dna-jakso, joka ei koodaa lähetti-rna:ta e)geenin säätelyalueen kohta, johon RNA-polymeraasi kiinnittyy f)esitumaisilla eliöillä peräkkäisten geenien muodostama toimintayksikkö, jolla on yksi säätelyalue. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

44 VASTAUS 2: Termit a) DNA b) Geeni c) Eksoni d) Introni e) Promoottori f) Operoni BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

45 3. Proteiinisynteesi Kirjoita proteiinisynteesin vaiheet oikeaan järjestykseen. Translaatio eli siirtäjä-rna:t tuovat aminohapot ribosomille. Transkriptio eli esi-lähetti-rna:n muodostuminen tumassa dnajuosteen mallin mukaisesti. Dna-kaksoisjuoste avautuu. Lähetti-rna kypsyy. Lähetti-rna siirtyy ribosomille. Aminohapot kiinnittyvät toisiina peptidisidoksin. Rna-polymeraasin kiinnittyminen promoottoriin. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

46 VASTAUS 3: Proteiinisynteesi 6. translaatio eli siirtäjä-rna:t tuovat aminohapot ribosomille 3. transkriptio eli esi-lähetti-rna:n muodostuminen tumassa dnajuosteen mallin mukaisesti 2. dna-kaksoisjuoste avautuu 4. lähetti-rna kypsyy 5. lähetti-rna siirtyy ribosomille 8. aminohappoketjut laskostuvat kolmi- ulotteiseksi rakenteeksi 7. aminohapot kiinnittyvät toisiinsa peptidisidoksin 1.rna-polymeraasin kiinnittyminen promoottoriin BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

47 4. Emäkset Erään geenin emäsjärjestys koodaavan juosteen dna-jakso emästen osalta alkaa seuraavasti: ATGATATTAACCGCCGAAAGCCGC a)mikä on dna:n mallijuosteen emäsjärjestys? b)mikä on lähetti-rna:n emäsjärjestys? c)mitkä ovat vastaavat siirtäjä-rna-molekyylien emäskolmikot eli antikodonit? d)mikä on muodostuvan polypeptidin aminohappojärjestys? e)jos mallijuosteen neljäs emäs muuttuu pistemutaation seurauksena tymiiniksi, miten aminohappojärjestys muuttuu? f)jos mallijuosteen neljäs emäs häviää pistemutaation seurauksena, miten aminohappojärjestys muuttuu? g)minkälainen kahdentuma tai häviämä ei muuta lukukehystä? BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

48 VASTAUS 4: Emäkset a) TACTATAATTGGCGGCTTTCGGCG b) AUGAUAUUAACCGCCGAAAGCCGC c) UAC UAU AAU UGG CGG CUU UCG GCG d) metioniini, isoleusiini, leusiini, treoniini, alaniini, glutamiinihappo,seriini, arginiini e) Isoleusiinin paikalle tulisikin leusiini f) Polypeptidiketjuun tulisi vain kolme aminohappoa metioniini, tyrosiini kolmas emäskolmikko olisi tuolloin lopetuskolmikko ja synteesi päättyisi tähän. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

49 5. Käsitekartta Merkitse taulukkoon rasteilla, mitkä rakenteet löytyvät kustakin solutyypistä. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

50 VASTAUS 5: Käsitekartta 1. pistemutaatio 2. kromosomimutaatio 3-5. kahdentuma, siirtymä, kääntymä 6. kromosomistomutaatio 7-8. monosomia, trisomia Allo- ja autopolyploidia BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

51 6. YO S-08 Selosta, mikä on geeni ja mistä toiminnallisista osista se rakentuu. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

52 VASTAUS 6: YO S-08 Geeni on osa kromosomin DNA-ketjua, joka koodaa kolmen emäksen jaksoina yhtä peptidiketjua. Geeni on kromosomissa sijaitseva perintötekijä. Geenistä voi olla eri alleeleja. Esitumaisilla geenin koodaava jakso on yhtenäinen, mutta tumallisilla se on usein jaksottunut koodaaviin (eksoneihin) ja eikoodaaviin alueisiin(introneihin). Valmiissa lähetti RNAssa on vain koodaavia alueita vastaavat alueet. Yksittäisissä geeneissä on säätelyalue (promoottori) ja varsinainen koodaava alue. RNA polymeraasi sitoutuu prommoottoriin ja lähetti RNAta alkaa muodostua. Esitumaisilla sama säätelyalue voi säädellä useiden peräkkäisten geenien toimintaa (operoni). Geenien säätelyyn voi osallistua tehostajajaksoja. Ne voivat sijaita hyvinkin kaukana itse geenistä. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

53 7. YO S-05 a) Selitä lyhyesti, kuinka solussa geneettinen informaatio tulkitaan valmistettavan proteiinin aminohappojärjestykseksi. b) Sirppisoluanemian aiheuttaa resessiivinen alleeli, joka homotsygoottina on letaali. Taudin aiheuttavassa globiinimolekyylissä on yhden aminohapon ero verrattuna normaalihemoglobiiniin: valiini on korvannut glutamiinihapon. Normaali punasolu: Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu Sirppisolu: Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu- Mikä virhe hemoglobiinin geenikoodissa on todennäköisimmin saanut aikaan kyseisen aminohappovaihdoksen, miten se heijastuu koko molekyyliin ja punasolun toimintaan? BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

54 VASTAUS 7: YO S-05 Tieto valmistettavan proteiinin aminohappojärjestyksestä sisältyy DNA:n emäsjärjestykseen, jossa yksi emäskolmikko vastaa yhtä aminohappoa. toimivan geenin alueelta kaksijuosteinen DNA avautuu, viereen rakentuu emäsparisäännön mukaisesti (A U; T A; C G; G C) lähetti-rna lähetti-rna siirtyy tumasta tumakelmun huokosen kautta solulimaan ribosomille Siirtäjä-RNA:t kuljettavat kukin oman aminohapponsa ribosomille. SiirtäjäRNAn antikodoni ja lähettirnan kodoni vastaavat toisiaan emäsparisäännöllä. Näin lähettirnalle kopioitu geenin nukleotidikoodi kääntyy proteiinin aminohappojärjestykseksi BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

55 VASTAUS 7: YO S-05 Taulukosta 33B ilmenee että glutamiinihappoa vastaa kaksi emäskolmikkoa (CTT ja CTC) ja valiinia vastaa neljä eri emäskolmikkoa (CAA, CAG, CAT, CAC) Todennäköisintä on, että DNA-koodissa on tapahtunut yksi pistemutaatio: CTT tai CTC keskimmäinen emäs on vaihtunut tymiinistä adeniiniksi CAT tai CAC Proteiinin avaruusrakenne määräytyy sen aminohappojärjestyksen mukaan. Oikea tertiäärirakenne taas vaikuttaa valkuaisen totuttuun toimintaan Sirppisoluhemoglobiini ei sido happea kuten normaali hemoglobiini. Poikkeava hemoglobiinirakenne ilmenee punasolujen sirppimäisyytenä, jolloin niiden hapenkuljetuskin veressä häiriintyy. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

56 8. YO K-10 a) Tutkittaessa erään entsyymin lähetti-rna:ta, löytyi molekyylin keskivaiheilta seuraava emäsjärjestys 5` UAU CCC CUG UAG CUU AAA AAG AGA 3`. Mitä voit tämän perusteella päätellä tuotettavan entsyymin primaarirakenteesta ja toimivuudesta? b) Ihmisen genomissa on arviolta 15 miljoonaa kohtaa, joissa yksilöiden välisessä vertailussa voidaan osoittaa yhden emäksen muutos. Miksi yhden emäksen muutokset eivät välttämättä aiheuta fenotyyppimuutoksia? c) Esittele jokin menetelmä, jolla yksittäiset dna:n emäsmuutokset voidaan osoittaa. BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava

57 VASTAUS 8: YO K-10 a) Lähetti-RNAn emäsjärjestystä vastaava pätkä DNAn mallijuostetta on 3 ATAGGGGACATC (lopetus). Taulukosta 33B saadaan entsyymin vastaava aminohappojärjestys: tyrosiini, proliini, arginiini, lopetus. Lopetus-kodonia vastaavaa siirtäjärnata ei ole, joten proteiinisynteesi päättyy ennen aikaisesti, eikä toimivaa entsyymiä synny. b) Neljästä emäksestä saadaan 64 erilaista emäskolmikkoa. Erilaisia aminohappoja on 20 samaa aminohappoa voi koodata useampi DNAn emäskolmikko (taulukko 33B). Yhden emäksen mutaatio voi olla neutraali eikä näy fenotyypissä. c) DNA:n eristäminen, puhdistus, pilkkominen katkaisuentsyymillä, kloonaus, tunnistus koettimen avulla, DNA -pätkien erottaminen elektroforeettisesti, emäsjärjestyksen määrittäminen sekvensoimalla. DNA:n eristäminen, puhdistus, pilkkominen katkaisuentsyymillä, monistaminen PCR - tekniikalla, elektroforeesi, sekvensointi (emäsjärjestyksen tunnistaminen perustuu eri tavoin merkattuihin lopettaviin nukleotideihin). BI5 I Solu ja perimä 3. Perimän rakenne ja toiminta. Otava