Kuusi kalvoa sivulla
Transcription
Kuusi kalvoa sivulla
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