LUENTO 3 Kyösti Ryynänen Seutuviikko 2014, Jämsä MITEN MATERIA KOODAA MATERIAA? 1 PROTEIINISYNTEESI DNA SISÄLTÄÄ GENEETTISEN KOODIN EMÄSJÄRJESTYKSEN MUODOSSA DNA:N EMÄSJÄRJESTYS KOPIOIDAAN (TRANSKRIPTIO) ENSIN mrna:n EMÄSJÄRJESTYKSEKSI (JOSSA TYMIININ TILALLA ON URASIILI) RIBOSOMIT YHDISTÄVÄT (TRANSLAATIO) AMINOHAPPOJA mrna:n EMÄSJÄRJESTYKSEN OHJAAMINA PROTEIINEIKSI TYYPILLINEN PROTEIINI KOOSTUU 100-500 PERÄKKÄINLIITETYSTÄ AMINOHAPOSTA MATEMAATTISESTI MAHDOLLISIA PROTEIINEJA ELI AMINOHAPPOJEN ERILAISIA YHDISTELMIÄ OLISI YLI 10 100 2 1
DNA-RAKENNE 1944 OSWALD T. AVERY HAVAITSI PERIMÄN SIJAITSEVAN DNA- MOLEKYYLISSÄ 1950-LUVUN ALUSSA GEORGE GAMOW ESITTI AJATUKSEN, ETTÄ ELÄMÄ KÄYTTÄÄ KOODIA ORGANISOITUAKSEEN 1953 FRANCIS CRICK JA JAMES WATSON SELVITTIVÄT DNA:N RAKENTEEN OIKEAKÄTISEKSI LASKOSTUNUT KAKSOISKIERRE (KAKSI DNA- JUOSTETTA), JOSSA (VAIHTUVAT) EMÄKSET SISÄREUNALLA KOMPLEMENTAARISESTI VASTAKKAIN (VETYSIDOKSIN) JA DEOKSIBOOSI-SOKERIT FOSFAATTIRYHMIEN YHDISTÄMINÄ ULKOPINNALLA MUODOSTAEN MOLEKYYLIN RUNGON PROKARYOOTEILLA RENGASMAINEN EUKARYOOTEILLA LINEAARINEN JA FRAGMENTOITUNUT ELÄMÄN KÄYTTÖÖN VALIKOITUNEET INFORMAATIOMOLEKYYLI (DNA ja RNA) JA PROTEIINIEN KONSTRUOIMISKONEISTO (RIBOSOMIT) SAATTAVAT JO SINÄLLÄÄN KERTOA TODELLISUUDEN SYVÄRAKENTEESTA (LUONNONLAKIEN ASETTAMAT REUNAEHDOT) KERRAN VALIKOIDUTTUAAN DNA:TA MAHDOTONTA MUUTTAA TOISEKSI, MUUTOS VAIKUTTAISI JOKA SOLUUN (FRANCIS CRICK) 3 DNA SOLUTUMAN DNA (ESITUMALLISILLA SOLULIMASSA) MITOKONDRION DNA (OMANSA, JAKAANTUU ITSENÄISESTI) VIHERHIUKKASEN DNA (OMANSA, JAKAANTUU ITSENÄISESTI) MITOKONDRIOT JA VIHERHIUKKASET OLLEET JOSKUS ITSENÄISIÄ ELIÖITÄ (ENNEN ENDOSYMBIOOSIA) 4 2
DNA-KAKSOISKIERRE DNA:N KAKSOISKIERRE MAHDOLLISTAA KOODIN KOPIOITUMISEN KAKSOISKIERTEEN AVAUTUESSA KOPIOIMINEN: DNA-POLYMERAASI (MITOOSISSA) RNA-POLYMERAASI (TRANSKRIPTIOSSA) KAKSOISKIERRE MAHDOLLISTAA KORJAUSLUKUENTSYYMIEN TOIMINNAN 5 SOLUJAKAUTUMINEN MITOOSI DNA-KAKSOISKIERRE AVAUTUU (DNA- POLYMERAASI) JA KOMPLEMENTAARISILLA EMÄKSILLÄ TÄYDENTYNEET JUOSTEET SIIRTYVÄT SOLULIMASSA ERILLEEN, MINKÄ JÄLKEEN SOLU KUROUTUU KAHDEKSI ERILLISEKSI SOLUKSI DNA-POLYMERAASI TOIMII YHDESSÄ KORJAUSLUKUENTSYYMIEN KANSSA IHMISEN NOIN 3 MILJARDIN EMÄSPARIN KOPIOITUMINEN KESTÄÄ MUUTAMAN MINUUTIN IHMISSOLUISSA VIRHEELLINEN KOPIOITUMINEN TAPAHTUU ALLE YHDESSÄ MILJARDISTA EMÄSPARISTA (SUURI KOPIOITUMISVIRHEIDEN MÄÄRÄ TAPPAISI KOMPLEKSISEN ELIÖN) 6 3
DNA DEOKSIRIBONUKLEIINIHAPPO KAKSOISKIERTEINEN RAKENNE SOKERINA DEOKSIRIBOOSI NELIKIRJAIMINEN KOODI: VAIHTOEHTOISET EMÄKSET (ADENIINI, GUANIINI, SYTOSIINI, TYMIINI) PAKKAUTUNEENA MONINKERTAISESTI (KAKSOISKIERRE, SUPERKIERRE), MAHTUU KYMMENESTUHANNESOSAAN ALKUPERÄISESTÄ PITUUDESTAAN IHMISELLÄ NOIN KOLME MILJARDIA EMÄSPARIA DNA:TA PITUUDELTAAN YLI 1m (KAKSOISKROMOSOMISTOSSA YLI 2m) BAKTEERIN DNA:N PITUUS LUOKKAA 1mm 7 RNA RIBONUKLEIINIHAPPO YKSIJUOSTEINEN RAKENNE SOKERINA RIBOOSI NELIKIRJAIMINEN KOODI: VAIHTOEHTOISET EMÄKSET (ADENIINI, GUANIINI, SYTOSIINI JA URASIILI) (lähetti) mrna, sisältää koodin (väliaikaisesti, ei pysyvästi kuten DNA) (siirtäjä) trna, noukkii ja yhdistää aminohapot (ribosomi) rrna, muodostaa ribosomi-rakenteen 8 4
EMÄSPARIUTUMINEN DNA-JUOSTEISSA KOMPLEMENTAARISESTI VASTAKKAIN ADENIINI JA TYMIINI TYMIINI JA ADENIINI GUANIINI JA SYTOSIINI SYTOSIINI JA GUANIINI A ja T T ja A G ja C C ja G KOPIOITUMINEN DNA:sta mrna:ksi (TRANSKRIPTIO) (MALLINEJUOSTE) (MUODOSTUVA) DNA-JUOSTE mrna-juoste ADENIINI - URASIILI A ja U TYMIINI - ADENIINI T ja A GUANIINI - SYTOSIINI G ja C SYTOSIINI - GUANIINI C ja G 9 EMÄSPARIUTUMINEN VIIMEISENÄ VAIHEENA (TRANSLAATIO) mrna EMÄSJÄRJESTYS PARIUTUU trna EMÄSJÄRJESTYKSEN KANSSA mrna trna (kodoni) (antikodoni) adeniini - urasiili A - U urasiili - adeniini U - A guaniini - sytosiini G - C sytosiini - guaniini C G ESIM. CTA -> GAU -> CUA (mikä trna hakee Aspargiinihappo-nimisen aminohapon) 10 5
KODONIT GENEETTINEN KOODI MUODOSTUU EMÄSKOLMIKOISTA (KOLMIKIRJAIMISISTA SANOISTA), JOITA KUTSUTAAN KODONEIKSI 4 3 ELI 64 ERILAISTA JÄRJESTYSTÄ (SANAA), JOISTA 61 KOODAA PROTEIINEJA JA 3 TOIMII LOPETUSKODONEINA (AVOIN LUKUKEHYS) ESIM. ATG (DNA) > UAC (mrna) > TYROSIINI 11 RNA-POLYMERAASI RNA-POLYMERAASI (ENTSYYMI) AVAA DNA-KAKSOISKIERRETTÄ MUODOSTAEN ERILLISEN mrna- JUOSTEEN (JOSSA URASIILI TYMIININ PAIKALLA) DNA-JUOSTEET KIERTYVÄT TAKAISIN KAKSOISKIERTEEKSI mrna SIIRTYY TUMASTA SOLULIMAN RIBOSOMIEN LUOKSE 12 6
RIBOSOMI (rrna) rrna-molekyyli MUODOSTAA PROTEIINIEN SYNTETISOINTIKONEISTON RUNGON, JONKA LÄPI KOODAAVA mrna- MOLEKYYLIJUOSTE KULKEE SAMANAIKAISESTI MONIA mrna:n PÄTKIÄ SOLULIMASSA SAMANAIKAISESTI SOLUSSA MONIA RIBOSOMEJA TOIMINNASSA SAMANAIKAISESTI SAMAA mrna- JUOSTETTA LUKEE USEAMPI RIBOSOMI 13 trna SIIRTÄJÄ trna NOUKKII SOLULIMASTA ANTIKODONINSA EMÄSJÄRJESTYSTÄ (esim. CUA) VASTAAVAN AMINOHAPON (tässä aspargiinihappo) JA TUO SEN mrna:n KODONIEN (tässä GAU) MUKAISELLE PAIKALLE PERÄKKÄISET AMINOHAPOT LIITTYVÄT TOISIINSA (POLYMERAASI) PEPTIDISIDOKSIN 14 7
GEENIT GEENI ON SEKVENSSI DNA:TA (PERÄKKÄISIÄ KODONEITA), JOKA KOODAA YHDEN PROTEIININ SYNTETISOINTIA (VALMISTAMISTA) IHMISESSÄ LUOKKAA 20 000 25 000 GEENIÄ, JOISTA ½- 2/3 OSA KOODAA AIVOJEN TOIMINTAA ESITETTY MYÖS ARVIO 30 000 GEENIÄ IHMISESSÄ EPIGENEETTISEN SÄÄTELYN SEURAUKSENA ERILAISIA PROTEIINEJA ON KUITENKIN ENEMMÄN KUIN GEENEJÄ HIIRESSÄ ~ 21 000 GEENIÄ PLANKTONISSA ~ 2000 GEENIÄ BAKTEERISSA ~ 1000 GEENIÄ ELIÖIDEN OMINAISUUDET SIIRTYVÄT GEENIEN MUODOSSA 15 GEENI MUODOSTUU 100-10 6 NUKLEOTIDISTA, KESKIMÄÄRIN 1200 EMÄSPARISTA 2%(3%) GENOMISTA TUOTTAA IHMISEN BIOKEMIAN 98%(97%) GENOMISTA EI KOODAA PROTEIINEJA ns. ROSKA-DNA:lla ON KUITENKIN NYKYKÄSITYKSEN MUKAAN PALJON VAIKUTUKSIA SOLUN TOIMINTAAN (eri mekanismeja) GEENEISSÄ INFORMAATIO ON DIGITAALISESSA 1D- MUODOSSA (EMÄSJÄRJESTYKSENÄ) SITÄ VASTOIN SOLUJEN BIOKEMIA (VALMIIDEN PROTEIINI- MOLEKYYLIEN TOIMINTA) TAPAHTUU 3D-AVARUUDESSA, PROTEIINIEN KOLMIULOTTEINEN RAKENNE (GEOMETRIA) MÄÄRÄÄ NIIDEN BIOLOGISET OMINAISUUDET EMERGENTIT OMINAISUUDET RAKENTUVAT UUDELLEEN JOKA KERTA, KUN OLIO LUODAAN (ERÄÄNLAISTA OLIO- OHJELMOINTIA) 16 8
INTRONIT JA EKSONIT AITOTUMALLISILLA GEENIT EIVÄT OLE YHTENÄISIÄ, VAAN NIISSÄ ON KOODAAVAA (EKSONIT) JA EI- KOODAAVAA (INTRONIT) EMÄSJÄRJESTYSTÄ INTRONIT OVAT DNA:TA, JOTA EI KÄYTETÄ MUODOSTETTAESSA mrna:ta, EIKÄ SIKSI TRANSLAATIOSSA MUUTETA PROTEIINEIKSI RNA:N PITUUS ONKIN VAIN MURTO OSA DNA:N PITUUDESTA EI-KOODAAVALLA GENOMIN OSALLA VAIKUTTAA OLEVAN MONIA PROTEIINISYNTEESIN SÄÄTELYYN LIITTYVIÄ TEHTÄVIÄ 17 GEENIEN ILMENTYMINEN DNA MUODOSTUU YKSITTÄISISTÄ GEENEISTÄ (IKÄÄN KUIN ALIOHJELMISTA/PROSEDUUREISTA), JOITA SITTEN KUTSUTAAN (KÄYTETÄÄN) TOISTEN GEENIEN TOIMESTA (TARVITTAESSA) PROTEIINISYNTEESIÄ SÄÄDELLÄÄN ENTSYYMIPROTEIINIEN JA SÄÄTELYPROTEIINIEN KUTEN M.M. REPRESSORI- JA INDUSOIJA-PROTEIINIEN AVULLA (OSA NÄISTÄ SÄÄTELYMOLEKYYLEISTÄ SIIRTYY SOLUJAKAUTUMISESSA) OSA DNA:TA KOODAA NÄITÄ PROTEIINEJA, JOTKA EDELLEEN SÄÄTELEVÄT PROTEIINISYNTEESIÄ VAIN SOLUN TARVITSEMIA PROTEIINEJA TUOTETAAN SOLUN TOIMINNALLE TARPEETTOMIA JA HAITALLISIA PROTEIINEJA EI TUOTETA EPIGENEETTINEN MAISEMA (Waddington 1957) MÄÄRÄÄ MITEN SAMAA DNA-DATAA KULLOINKIN LUETAAN (TULKITAAN) DNA:N KOODI TOIMII JA SITÄ KÄYTETÄÄNKIN VAIHTELEVASTI JA MONIPUOLISESTI KUTEN KIELIJÄRJESTELMÄÄ (Carey 2011) 18 9
GEENIEN ILMENTYMINEN PLEIOTROPIA: YKSI GEENI VAIKUTTAA MONIIN OMINAISUUKSIIN POLYGENIA: YHTEEN OMINAISUUTEEN VAIKUTTAA MONIA ERI GEENEJÄ EPISTAASI: GEENIEN KESKINÄINEN VUOROVAIKUTUS YKSITTÄISEN GEENIN SIJAAN USEIN OLISIKIN PUHUTTAVA GEENIEN MUODOSTAMASTA VUOROVAIKUTUSVERKOSTOSTA, JONKA (KULLOINENKIN) TOIMINTA MÄÄRÄÄ MITEN OMINAISUUDET ILMENEVÄT LISÄKSI SOLUJEN TOIMINTAAN (JA LOPULLISEEN ILMIASUUN) VAIKUTTAA SAATAVILLA OLEVA RAVINTO JA YMPÄRISTÖ 19 DNA JA KOMPLEKSISUUS ELIÖIDEN DNA:N MÄÄRÄ (PITUUS) EI OLE SUORAAN VERRANNOLLINEN ELIÖIDEN KOMPLEKSISUUTEEN, OLENNAISTA ON TÄRKEIDEN GEENIEN MUKANAOLO OLENNAISTA ON SÄÄDELLÄ TÄRKEIDEN GEENIEN ILMENTYMISTÄ, GENOMIT VOIVAT OLLA HYVINKIN SAMANLAISIA, MUTTA SÄÄTELY SAA AIKAA EROT LAJIEN VÄLILLE KOLIBAKTEERILLA TUHANNESOSA IHMISEN DNA:N MÄÄRÄSTÄ SAMMAKOLLA KAKSI KERTAA ENEMMÄN KUIN IHMISELLÄ ERÄILLÄ KALOILLA JA KASVEILLA KYMMENIÄ KERTOJA ENEMMÄN KUIN IHMISELLÄ 20 10
GENOMI GENOMI (PERIMÄ) ON TÄYDELLINEN GEENIEN JOUKKO GEENIT SÄÄTELEVÄT SOLUJEN TOIMINTAA GEENIT SÄÄTELEVÄT KASVUA (ERI ELINTEN SOLUJEN JAKAUTUMISNOPEUTTA ERI KEHITYSVAIHEISSA) MUODONVAIHDOKSEN TEKEVÄT ELIÖT TARVITSEVAT GEENIT JOKAISEEN KEHITYSVAIHEESEENSA (TOUKKA, PERHONEN) 21 HOX-GEENIT OHJAAVAT RAAJAT JA ELIMET KEHONKAAVAN MUKAISIIN PAIKKOIHINSA JA VARMISTAVAT, ETTÄ NE OVAT OIKEAN MUOTOISIA (ESIM. KÄRPÄSEN KUUSIJAKOINEN KEHO) IHMISELLÄ 38 HOX-GEENIÄ KÄRPÄSELLÄ 8 HOX-GEENIÄ 22 11
GEENIEN MUUTOKSET VAIHTUMINEN LISÄYKSET POISTAMISET DUPLIKAATIOT SIIRTYMINEN 23 GEENIEN MUUTOKSET DNA VOI MUUTTUA ELIÖN ELINAIKANA GEENEJÄ VAIHTUU KROMOSOMIN SISÄLLÄ TAI KROMOSOMISTA TOISEEN (TRANSLOKAATIO, TRANSPOSONIT) MYÖS YKSILÖSTÄ TOISEEN HORISONTAALISESTI SIIRTYVIÄ (HYPPIVIÄ) GEENEJÄ (TRANSPOSONEJA) TUNNETAAN BAKTEEREILTA JA KASVEILTA GEENEJÄ VOI SIIRTYÄ ERI LAJIEN VÄLILLÄ (ENDOSYMBIOOSISSA, YHTEISTEN SUKULAISLAJIEN KAUTTA TAI PUNKKIEN MIKROINJEKTIOSSA) 24 12
DNA:N MUUTOKSET VIRHEET KOPIOITUMISESSA MUTAGEENIT (SÄTEILY, KEMIKAALIT, VIRUKSET) PYRITÄÄN ESTÄMÄÄN MUUTOKSET: KORJAUSLUKUENTSYYMIT (DNA), BAKTEERIT (POPULAATIOLLA YHTEINEN GEENIVARASTO) LAINAAVAT TAI OTTAVAT DNA:STA KOPION NAAPURILTA, USEITA RINNAKKAISIA KOPIOITA DNA:STA JOKAISESSA IHMISYKSILÖSSÄ ARVIOLTA 175 (toinen arvio 80) UUTTA PISTEMUTAATIOTA GENOMISSA 25 VIRUKSET KOKO 10-200 nm DNA:n tai RNA:n PÄTKÄ PROTEIINIKUORESSA TARVITSEE ISÄNTÄSOLUA KOPIOITUAKSEEN SAATTAVAT LIITTYÄ ISÄNTÄSOLUN GENOMIN OSAKSI JA PERIYTYÄ EDELLEEN (NYKYSOLUISSA MUINAISTEN VIRUSTEN GEENISEKVENSSEJÄ) 26 13
RETROVIRUKSET TOIMIVAT DNA -> RNA -> PROTEIINIT PÄÄDOGMIA VASTAAN RETROVIRUS KOPIOI RNA:STA DNA:TA, JOKA SITTEN LIITTYY ISÄNTÄSOLUN GENOMIIN HIV- JA SYÖPÄVIRUKSET 27 SUKUPUOLIKROMOSOMIT ITUSOLUT MUODOSTUVAT VÄHENNYSJAKAUTUMISESSA (MEIOOSI), MISSÄ NIIDEN KROMOSOMILUKU PUOLITTUU ITUSOLUT (SIITTIÖ JA MUNASOLU) YHTYVÄT HEDELMÖITYKSESSÄ, MINKÄ JÄLKEEN KROMOSOMILUKU ON TÄYSI (2X23) NAISILLA XX (JOISTA TOINEN ÄIDILTÄ JA TOINEN ISÄLTÄ) MIEHILLÄ XY (JOISTA X ÄIDILTÄ JA Y ISÄLTÄ) 28 14
GEENIEN PERIYTYMINEN GEENIT SIJAITSEVAT LOKUKSESSA (PAIKKA GENOMISSA) SUVULLISESSA LISÄÄNTYMISESSÄ GEENIT PERIYTYVÄT PAREITTAIN (YKSI ALLEELI KUMMALTAKIN VANHEMMALTA) SAMANLAISET ALLEELIT, NIIN GEENIN SUHTEEN HOMOTSYGOOTTINEN ERILAISET ALLEELIT, NIIN GEENIN SUHTEEN HETEROTSYGOOTTINEN DOMINOIVAT OMINAISUUDET SYNTYVÄT TOISENKIN ALLEELIN SEURAUKSENA RESESSIIVISET OMINAISUUDET EDELLYTTÄVÄT MOLEMPIEN ALLEELIEN SAMANLAISUUTTA 29 KROMOSOMIEN DNA GEENIT PERITÄÄN TASAN 50% KUMMALTAKIN VANHEMMALTA LAPSENLAPSELLE PERIYTYY KESKIMÄÄRIN 25% KUMMANKIN ISOVANHEMMAN GEENEISTÄ POIKKEUS: Y-SUKUPUOLIKROMOSOMIN DNA PERIYTYY AINA ISÄLTÄ POIKKEUS: MITOKONDRION DNA PERIYTYY AINA ÄIDILTÄ (MITOKONDRIO JAKAUTUU ITSENÄISESTI) ERILAISET SUKULINJAT 30 15
LISÄÄNTYMINEN SUVUTON LISÄÄNTYMINEN SOLUJAKAUTUMISEN KAUTTA SUVULLISESSA LISÄÄNTYMISESSÄ GEENIT SIIRTYVÄT SUKUSOLUJEN KAUTTA SUVUTON JA SUVULLINEN LISÄÄNTYMINEN (VUOROTELLEN) 31 LÄHDEKIRJALLISUUS Susan Aldridge: Elämän lanka, Geenitekniikan tarina, Art House, 1999 (1996) Bennett, Shostak, Jakovsky: Life in the Universe, Addison Wesley, 2003 Nessa Carey: The Epigenetics Revolution, Icon Books, 2011 Sean B. Carroll: The Making of the Fittest, 2006 Lewis Dartnell: Life in the Universe, Oneworld Publications, 2007 Paul Davies: Viides ihme, elämän syntyä etsimässä, Terra Cognita, 1999 Richard Dawkins: A Pilgrimage to the Dawn of Life, The Ancestor s Tale, Weidenfeld & Nicolson, 2004 Iain Gilmour and Mark A. Sephton (eds.): An Introduction to Astrobiology, The Open University, 2003 Ilkka Hanski, (toim.): Kaikki evoluutiosta, Gaudeamus, 2009 Erkki Hiltunen, (toim.): Galenos, ihmiselimistö kohtaa ympäristön, WSOY, 2001 Jörgen Sjöström: På spaning efter livets ursprung, Om astrobiologi, människans rötter och evolutionen, Norstedts, 2010 32 16