DNA: n rakenne tarjoaa mekanismin perinnöllisyydelle

geenit kuljettavat biologista tietoa, joka on kopioitava tarkasti seuraavalle sukupolvelle aina, kun solu jakautuu kahdeksi tytärsoluksi. Näistä vaatimuksista nousee esiin kaksi keskeistä biologista kysymystä: miten eliön määrittelyyn liittyvää tietoa voidaan kuljettaa kemiallisessa muodossa ja miten se kopioidaan tarkasti? DNA: n kaksoiskierteen rakenteen löytyminen oli virstanpylväs kahdennenkymmenennen vuosisadan biologiassa, koska se ehdotti heti vastauksia molempiin kysymyksiin ja ratkaisi siten molekyylitasolla perinnöllisyysongelman. Käsittelemme lyhyesti vastauksia näihin kysymyksiin tässä jaksossa ja tarkastelemme niitä yksityiskohtaisemmin seuraavissa luvuissa.

DNA koodaa informaatiota nukleotidien järjestyksen eli sekvenssin kautta kutakin säiettä pitkin. Jokaista emästä-A, C, T tai G—voidaan pitää nelikirjaimisena kirjaimena, joka täsmentää biologisia viestejä DNA: n kemiallisessa rakenteessa. Kuten 1. luvusta näimme, eliöt eroavat toisistaan, koska niiden DNA-molekyyleillä on erilaiset nukleotidisekvenssit ja näin ollen niillä on erilaiset biologiset viestit. Mutta miten nukleotidiaakkosia käytetään viestien tekemiseen, ja mitä ne ilmaisevat?

kuten edellä todettiin, tiedettiin jo hyvissä ajoin ennen DNA: n rakenteen selvittämistä, että geenit sisältävät ohjeet proteiinien tuottamiseksi. DNA-viestien on siis jotenkin koodattava proteiineja (Kuva 4-6). Tämä suhde tekee ongelmasta välittömästi helpommin ymmärrettävän, koska proteiinit ovat kemiallisia. Kuten luvussa 3 käsitellään, proteiinin ominaisuudet, jotka ovat vastuussa sen biologisesta toiminnasta, määräytyvät sen kolmiulotteisen rakenteen perusteella, ja sen rakenne määräytyy vuorostaan niiden aminohappojen lineaarisen järjestyksen mukaan, joista se koostuu. Geenin nukleotidien lineaarisen sekvenssin täytyy siis jotenkin selittää proteiinin aminohappojen lineaarinen sekvenssi. DNA: n nelikirjaimisen nukleotidi-aakkoston ja proteiinien kahdenkirjaimisen aminohappo-aakkoston—geneettisen koodin—Tarkka vastaavuus ei selviä DNA: n rakenteesta, ja kaksoiskierteen löytymisestä kului yli vuosikymmen ennen kuin se saatiin selville. Luvussa 6 kuvataan tätä koodia yksityiskohtaisesti kehitettäessä prosessia, joka tunnetaan geenin ilmentymisenä, jonka kautta solu muuntaa geenin nukleotidisekvenssin proteiinin aminohapposekvenssiksi.

Kuva 4-6

DNA: ssa olevan geneettisen informaation ja proteiinien välinen suhde.

eliön DNA: ssa olevaa täydellistä informaatiokokonaisuutta kutsutaan sen genomiksi, ja se välittää tietoa kaikista proteiineista, joita eliö koskaan syntetisoi. (Termiä genomi käytetään myös kuvaamaan DNA, joka kuljettaa tätä tietoa.) Genomien sisältämän informaation määrä on huikea: esimerkiksi tyypillinen ihmissolu sisältää 2 metriä DNA: ta. Nelikirjaimisella nukleotidiaakkosilla kirjoitettuna hyvin pienen ihmisen geenin nukleotidisekvenssi vie neljäsosan tekstisivusta (Kuva 4-7), kun taas ihmisen genomin nukleotidien täydellinen sekvenssi täyttäisi yli tuhat tämän kokoista kirjaa. Muun kriittisen tiedon lisäksi siinä on ohjeet noin 30 000 erilliselle proteiinille.

Kuva 4-7

ihmisen β-globiinigeenin nukleotidisekvenssi. Tämä geeni kuljettaa tietoa hemoglobiinimolekyylin kahdesta alayksiköstä, jotka kuljettavat happea veressä. Toinen geeni, α-globiini (lisää…)

jokaisessa solunjakautumisessa solun täytyy kopioida genominsa, jotta se siirtyy molempiin tytärsoluihin. DNA: n rakenteen selvittäminen paljasti myös periaatteen, joka mahdollistaa tämän kopioinnin: koska jokainen DNA-juoste sisältää nukleotidien sarjan, joka täydentää täsmälleen sen kumppanijuosteen nukleotidisarjaa, kukin juoste voi toimia mallina eli muotina uuden täydentävän juosteen synteesissä. Toisin sanoen, jos nimeämme kaksi DNA-säikeiden s ja s’, strand s voi toimia mallina tehdä uuden strand S’, kun taas strand S ’ voi toimia mallina tehdä uuden strand S (kuva 4-8). Näin DNA: n geneettinen informaatio voidaan tarkasti kopioida kauniin yksinkertaisella prosessilla, jossa säie s erkanee säikeestä s’, ja jokainen erotettu säie toimii sitten mallina uuden täydentävän kumppanijuosteen tuottamiselle, joka on identtinen sen entisen kumppanin kanssa.

Kuva 4-8

DNA mallina omalle kahdennukselleen. Koska nukleotidi A onnistuu pariutumaan vain T: n kanssa ja G C: n kanssa, jokainen DNA-juoste voi määrittää nukleotidien sekvenssin komplementaarisessa juosteessaan. Näin kaksoiskierteinen DNA voidaan kopioida tarkasti. (enemmän…)

DNA-molekyylin jokaisen juosteen kyky toimia mallina komplementaarisen juosteen tuottamiseksi antaa solulle mahdollisuuden kopioida eli monistaa geenejään ennen niiden siirtämistä jälkeläisilleen. Seuraavassa luvussa kuvaillaan elegantteja koneita, joita solu käyttää tämän valtavan tehtävän suorittamiseen.