Geenit ja proteiinisynteesi

Kokosin tähän artikkeliin tietoa eri lähteistä saadakseni paremman kuvan perintötekijöihin liittyvistä peruskäsitteistä ja geenien toiminnasta solussa. Esim. proteiinisynteesistä minulla ei ennen tätä ollut juuri minkäänlaista käsitystä.

Ei voi olla ihmettelemättä, kun näitä tutkii. Tulee mieleen nykyinen informaatioteknologia ja toisaalta myös tuttu raamatunkohta, jossa puhutaan ihmeen osuvasti 'kutomisesta'.

"...sinä kudoit minut kokoon äitini kohdussa. Minä kiitän sinua siitä, että olen tehty ylen ihmeellisesti; ihmeelliset ovat sinun tekosi, sen minun sieluni kyllä tietää." (Ps.139:13-14)

Otan tähän alkuun lukemani tiiviin määritelmän, katsotaan sitten tarkemmin yksityiskohtia.

Proteiini- eli valkuaisainesynteesi on prosessi, jossa DNA:n tieto käännetään proteiinien rakenteiksi. Geeni luetaan, kopioidaan, käännetään aminohappojärjestykseksi ja lopuksi aminohappoketju jalostetaan proteiiniksi.

Seuraava yksinkertaistettu kuvaus on tehty lähinnä aitotumaisten eliöiden (eukaryoottien) kannalta.

Geenien sijainti

(Kuva Wikimedia)

Geenit eli perintötekijät sijaitsevat DNA:ssa, jota voisi kuvata solun tumassa olevana pitkänä lankana. Tarkemmin katsoen tuo 'lanka' on rakenteeltaan kuin kierteiset tikapuut, kahta vierekkäin kulkevaa 'lankaa' yhdistää tasaisin välimatkoin tikkaiden puolaa vastaava rakenne.

Näitä lankoja tai langanpätkiä on solussa useita. Yhtä yhtenäistä lankaa kutsutaan kromosomiksi. Kromosomi esitetään usein kuvissa X-kirjaimen muotoisena rakenteena, mutta tällöin on kyse kromosomista, joka on jo 'tehnyt kopion' itsestään ja nämä kaksi kopiota ovat vielä kiinni toisistaan keskeltä. Tällaista kahdentumista tarvitaan solun jakautumisen takia.

Kromosomissa voi olla geenejä kymmenistä tuhansiin. Yksi geeni on siis tietty osa kromosomista. Tämä geeniä vastaava osa ei kuitenkaan ole yleensä yhtenäinen, vaan keskeisin geenin perimäaines on eksoneiksi nimitetyissä jaksoissa, joiden välissä on introneja. Intronit eivät ole merkityksettömiä, mutta keskitytään kuitenkin tässä eksoneihin ja niiden tehtävään proteeiinien rakennusohjeena. Ensin kuitenkin tarkemmin DNA:n rakenteesta.

DNA:n rakenne

(Kuva Wikimedia)

Kun DNA:ta katsotaan tarkemmin, huomataan, että kahta 'sivupuuta' yhdistävät 'puolat' ovat kaksiosaisia. Puolien keskellä on liitoskohta, joka ei ole kovin luja. Itse asiassa liitoskohta avataankin tietyissä tilantessa, kun DNA:ta käsitellään.

Jos otetaan peliin lisää tieteellisiä termejä, niin 'puolat' koostuvat kahdesta emäksestä, jotka kuuluvat kaksoiskierteen eri puoliskoihin. Emäksen kohdalla kummassakin 'sivupuussa' on kaksi muuta yksikköä: deoksiriboosi ja fosforihappo. Näistä kolmesta osasta, deoksiriboosi, fosforihappo ja emäs, muodostuu yksi nukleotidi.

Kaksoiskierteen - tai virallisempi ilmaus on kaksoisjuoste - molemmat puoliskot muodostuvat siis peräkkäisistä nukleotideista, joissa vain emäsosa vaihtelee tyypiltään. DNA:n emäsosa on joko tyyppiä G (guaniini), A (adeniini), C (sytosiini) tai T (tymiini).

Kaksoisjuosteessa vastakkaiset emäkset yhdistyvät toisiinsa vain tietyllä tavalla: T ja A yhdistyvät toisiinsa ja vastaavasti G ja C. Tämä näkyy yo. kuvassa siinä, että 'puolat' ovat kaksivärisiä - joko sininen ja vihreä tai punainen ja keltainen.

RNA

Geenien toimintaan liittyy läheisesti myös RNA, jonka tehtävistä tulee esimerkkejä proteiinisynteesin yhteydessä. Rakenteeltaan tämä molekyyli muistuttaa DNA:ta. Se esiintyy kuitenkin yleensä yksjuosteisena. Muita eroja ovat, että 'tukirangassa' deoksiriboosin tilalla on riboosi ja emäsosana on tymiinin tilalla aina urasiili. RNA:n emäsosa on siis joko G, A, C tai U. Vastaavuudet ovat näinollen U - A, G - C (näillä on merkitystä, vaikka RNA ei olekaan kaksoisjuoste).

Geneettinen koodi

Geenien perusteella solussa tuotetaan geenituotteita, joita ovat proteiinit ja RNA. Proteiinit koostuvat aminohappoketjuista. Geenien emäsosiin on koodattuna mielenkiintoisella tavalla tarvittavien aminohappoketjujen rakenne. Yhtä aminohappoa vastaa aina kolmen peräkkäisen nukleotidin sisältämän emäsosan yhdistelmä. Tällaista kolmikkoa nimitetään kodoniksi. Kodonin merkitys voi olla myös muukin kuin ilmoittaa aminohappo, se voi olla esim. lopetusmerkki.

Sellaisia proteiinien muodostamisessa käytettyjä yksittäisiä aminohappoja, joita vastaa jokin geneettinen koodi, on 20 kpl. Kolmen emäksen yhdistelmiä on paljon enemmän, ja onkin niin, että yhteen aminohappoon voidaan viitata useimmissa tapauksissa monella eri tavalla.

Esimerkiksi: Treoniini = ACT, ACC, ACA tai ACG. Tyrosiini = TAT tai TAC. Leusiini = CTT, CTC, CTA, CTG, TTA tai TTG

DNA:n geenien sisältämä informaatio muuttuu proteiinisynteesin yhteydessä yksijuosteiseen RNA-muotoon (tästä seuraavassa kappaleessa enemmän). Silloin vastaavuuksia voidaan esittää kuten ao. kuvassa, jossa T on korvautunut RNA:n rakenteen mukaisesti aina U:lla

(Kuva Wikimedia)

Proteiinisynteesi

(Kuva Wikimedia)

Käyn läpi proteiinisynteesin vaiheita yo. kuvan perusteella.

Prosessi alkaa solun tumassa (tummempi alue solun sisällä). Kuvassa ylimpänä olevan DNA-mallin mukaan valmistuu vastaava RNA-juoste. DNA:ta luetaan avaamalla kaksoisjuostetta aina pieneltä alueelta kerrallaan ja samalla valmistuu RNA-ketjua. Tätä vaihetta nimitetään transkriptioksi. Eksonien lisäksi myös intronit pysyvät vielä mukana.

Toisessa vaiheessa, jota sanotaan silmukoinniksi (splicing), tumassa valmistuu lopullinen lähetti-RNA (mRNA, m=message). Se ei enää sisällä introneita, koska eksoneissa on kaikki proteiinien muodostamiseen tarvittava tieto.

Lähetti-RNA (mRNA) siirtyy sitten tumasta solulimaan proteiinisynteesin toteuttamista varten. Siellä odottaa vuoroaan muita prosessiin osallistuvia komponentteja:

• Erilaiset aminohapot, kuvassa mustina pallukoina.
• Ribosomit, jotka ovat ensin kahtena erillisenä osasena solulimassa, mutta muodostavat yhden kokonaisuuden ribosomin käydessä läpi lähetti-RNA:ta. Ribosomia voisi kuvata eräänlaisena 'robottina', jonka tehtävänä on 'kutoa' aminohapoista ketjuja lähetti-RNA:n sisältämän 'neulontaohjeen' perusteella. Kuvassa ribosomi näkyy (hieman epäselvästi) harmaana hahmona alaosan lähetti-RNA:n keskivaiheilla
• Siirtäjä-RNA (tRNA, t=transfer) -molekyylit. Näiden tehtävä on kuljettaa sopivia aminohappoja ribosomin ja lähetti-RNA:n luo. Ne näkyvät kuvassa 'töpselin' näköisinä 'olioina'.

Siirtäjä-RNA -molekyylejä on monenlaisia, kullekin aminohapolle omansa.  Tai oikeastaan kutakin kolmen emäksen jaksoa (kodonia) vastaa oma siirtäjä-RNA (lopetuskodoneja lukuunottamatta), näin useimmille aminohapoille on enemmän kuin yksi siirtäjä-RNA. Kuvan 'töpselimäinen' esitystapa on osuva, sillä siirtäjä-RNA voi tuoda kuljettamansa aminohapon vain sopivaan 'pistorasiaan'. Nuo siirtäjä-RNA:n kolme piikkiä kuvaavat antikodonia, joka vastaa lähetti-RNA:ssa olevaa kodonia. Jos lähetti-RNA:ssa on esim. kodoni GCU, se vastaa alaniini-aminohappoa. Ribosomin ollessa käsittelemässä tätä kohtaa lähetti-RNA:sta, siihen voi tuoda lastinsa vain sellainen siirtäjä-RNA, jonka antikodoni on CGA ja se kuljettaa nimenomaan alaniinia.

Aluksi ribosomi kiinnittyy lähetti-RNA:n toiseen päähän. Sen sisälle tulee siirtäjä-RNA:n tuomana ensimmäinen aminohappo, joka vastaa ensimmäistä kodonia. (Tarkkaan ottaen tässä alkuvaiheessa saapumisjärjestys on: ribosomin pienempi puolisko, siirtäjä-RNA, ribosomin suurempi puolisko). Sitten ribosomin sisälle tulee toinenkin aminohappo, vastaten seuraavaa kodonia. Ensimmäinen aminohappo siirretään ribosomin sisällä toisen amonihapon jatkoksi ja ensimmäinen siirtäjä-RNA poistuu. Ribosomi siirtyy yhden kodonin verran eteenpäin. Nyt on taas tilaa uudelle siirtäjä-RNA:lle, ja se tuo kolmatta kodonia vastaavan amonihapon paikalle. Kaksi aiemmin toisiinsa liittynyttä aminohappoa lisätään kolmannen 'hännäksi' ja niitä 'pidellyt' siirtäjä-RNA poistuu. Ribosomi siirtyy taas askeleen eteenpäin ja näin prosessi etenee, kunnes lähetti-RNA:ssa tulee vastaan lopetusmerkki. Silloin proteiiniin tarvittava aminohappoketju on valmis.

Kuvaan on piirretty vain yksi ribosomi, mutta lähetti-RNA:n 'kimpussa' voi samanaikaisesti olla useita ribosomeja - tehokasta.

Kuvatussa prosessissa syntyvät aminohappoketjut eivät ole vielä aivan valmiita proteiineja. Niille tapahtuu solussa vielä 'laskostuminen' (jossa ne saavat proteiineille ominaisen kolmiulotteisen muotonsa) ja niihin liitetään sokeriosia ym. mutta nämä vaiheet eivät enää liity lähetti-RNA:n geneettiseen koodiin.

Lähteitä:

Opetus-tv, solubiologia ja perinnöllisyys (Selkeää opetusta!)

Virtual Cell Animation Collection, translation
Wikipedia, DNA codon table
Wikipedia, proteiinien tehtäviä

YLE, Geeni on perinnöllisen tiedon osanen