1. No category

2.10.2015
Seutuviikko 2015, Jämsä
Kyösti Ryynänen
LUENTO 3
MITEN MATERIA KOODAA MATERIAA?
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 10100
1
DNA-RAKENNE
•
•
•
•
•
•
•
•
2
DNA
1944 OSWALD T. AVERY HAVAITSI PERIMÄN SIJAITSEVAN DNAMOLEKYYLISSÄ
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 DNAJUOSTETTA), 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-KAKSOISKIERRE
• DNA:N KAKSOISKIERRE MAHDOLLISTAA
KOODIN KOPIOITUMISEN
KAKSOISKIERTEEN AVAUTUESSA
• KOPIOIMINEN:
DNA-POLYMERAASI (MITOOSISSA)
RNA-POLYMERAASI (TRANSKRIPTIOSSA)
• KAKSOISKIERRE MAHDOLLISTAA
KORJAUSLUKUENTSYYMIEN TOIMINNAN
5
• SOLUTUMAN DNA (ESITUMALLISILLA
SOLULIMASSA)
• MITOKONDRION DNA (OMANSA,
JAKAANTUU ITSENÄISESTI)
• VIHERHIUKKASEN DNA (OMANSA,
JAKAANTUU ITSENÄISESTI)
• MITOKONDRIOT JA VIHERHIUKKASET
OLLEET JOSKUS ITSENÄISIÄ ELIÖITÄ
(ENNEN ENDOSYMBIOOSIA)
4
SOLUJAKAUTUMINEN
• MITOOSI
• DNA-KAKSOISKIERRE AVAUTUU (DNAPOLYMERAASI) 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
1
2.10.2015
DNA
RNA
•
•
•
•
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
EMÄSPARIUTUMINEN
•
•
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
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)
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
KODONIT
10
RNA-POLYMERAASI
• GENEETTINEN KOODI MUODOSTUU
EMÄSKOLMIKOISTA (KOLMIKIRJAIMISISTA
SANOISTA), JOITA KUTSUTAAN KODONEIKSI
• 43 ELI 64 ERILAISTA JÄRJESTYSTÄ (SANAA),
JOISTA 61 KOODAA PROTEIINEJA JA 3 TOIMII
LOPETUSKODONEINA (AVOIN LUKUKEHYS)
• ESIM. ATG (DNA) > UAC (mRNA) > TYROSIINI
11
• RNA-POLYMERAASI (ENTSYYMI) AVAA
DNA-KAKSOISKIERRETTÄ
MUODOSTAEN ERILLISEN mRNAJUOSTEEN (JOSSA URASIILI TYMIININ
PAIKALLA)
• DNA-JUOSTEET KIERTYVÄT TAKAISIN
KAKSOISKIERTEEKSI
• mRNA SIIRTYY TUMASTA SOLULIMAN
RIBOSOMIEN LUOKSE
12
2
2.10.2015
RIBOSOMI (rRNA)
tRNA
• rRNA-MOLEKYYLI MUODOSTAA PROTEIINIEN
SYNTETISOINTIKONEISTON RUNGON,
JONKA LÄPI KOODAAVA mRNAMOLEKYYLIJUOSTE KULKEE
• SAMANAIKAISESTI MONIA mRNA:n PÄTKIÄ
SOLULIMASSA
• SAMANAIKAISESTI SOLUSSA MONIA
RIBOSOMEJA TOIMINNASSA
• SAMANAIKAISESTI SAMAA mRNAJUOSTETTA LUKEE USEAMPI RIBOSOMI
• 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
13
GEENIT
14
GEENI
• 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
• MUODOSTUU 100 - 106 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” 1DMUODOSSA (EMÄSJÄRJESTYKSENÄ)
• SITÄ VASTOIN SOLUJEN BIOKEMIA (VALMIIDEN PROTEIINIMOLEKYYLIEN TOIMINTA) TAPAHTUU 3D-AVARUUDESSA,
PROTEIINIEN KOLMIULOTTEINEN RAKENNE (GEOMETRIA)
MÄÄRÄÄ NIIDEN BIOLOGISET OMINAISUUDET
• EMERGENTIT OMINAISUUDET RAKENTUVAT UUDELLEEN
JOKA KERTA, KUN OLIO LUODAAN (ERÄÄNLAISTA OLIOOHJELMOINTIA)
16
INTRONIT JA EKSONIT
GEENIEN ILMENTYMINEN
• AITOTUMALLISILLA GEENIT EIVÄT OLE YHTENÄISIÄ,
VAAN NIISSÄ ON KOODAAVAA (EKSONIT) JA EIKOODAAVAA (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
• 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)
17
18
3
2.10.2015
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
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
19
GENOMI
HOX-GEENIT
• 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
GEENIEN MUUTOKSET
•
•
•
•
•
20
• 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
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)
VAIHTUMINEN
LISÄYKSET
POISTAMISET
DUPLIKAATIOT
SIIRTYMINEN
23
24
4
2.10.2015
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
RETROVIRUKSET
SUKUPUOLIKROMOSOMIT
• TOIMIVAT DNA -> RNA -> PROTEIINIT
PÄÄDOGMIA VASTAAN
• RETROVIRUS KOPIOI RNA:STA DNA:TA,
JOKA SITTEN LIITTYY ISÄNTÄSOLUN
GENOMIIN
• HIV- JA SYÖPÄVIRUKSET
• 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)
27
28
GEENIEN PERIYTYMINEN
KROMOSOMIEN DNA
• 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
• 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
29
30
5
2.10.2015
LISÄÄNTYMINEN
• SUVUTON LISÄÄNTYMINEN
SOLUJAKAUTUMISEN KAUTTA
• SUVULLISESSA LISÄÄNTYMISESSÄ
GEENIT SIIRTYVÄT SUKUSOLUJEN
KAUTTA
• SUVUTON JA SUVULLINEN
LISÄÄNTYMINEN (VUOROTELLEN)
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
•
31
Jörgen Sjöström: På spaning efter livets ursprung, Om astrobiologi,
människans rötter och evolutionen, Norstedts, 2010
32
6