Kaksoiskierre

Määritelmä

Kaksoiskierre on termi, jota käytetään kuvaamaan perinnöllisen molekyylimme, DNA:n, muotoa. Tämä välittömästi tunnistettava rakenne koostuu kahdesta DNA:n säikeestä, jotka ovat kiertyneet toistensa ympärille ja yhdistetty toisiinsa keskeltä vetysidoksella. Vetysidokset muodostuvat nukleotidien – DNA:n toistuvan yksikön ja geneettisen koodin kielen – välille.

DNA:n kaksoiskierrerakenne paljastui James Watsonin ja Francis Crickin 1950-luvulla tekemässä merkkitutkimuksessa. Tätä löydöstä pidetään yhtenä biologian tärkeimmistä edistysaskelista tähän mennessä. DNA:n kaksoiskierteen löytämisen tarinaan liittyy myös kiistanalaisuuksia, ja siihen on liitetty väitteitä, joiden mukaan asianosaiset tutkijat eivät tunnustaneet muiden, nimittäin Rosalind Franklinin, panosta.

Yleiskatsaus DNA:n rakenteeseen

Jokainen DNA:n säie koostuu sarjasta toistuvia yksikköjä, joita kutsutaan nukleotideiksi. Näin ollen kutakin DNA:n säiettä kutsutaan polynukleotidiksi. Nämä nukleotidit muodostuvat kolmesta komponentista:

• viisihiilisokeri (deoksiriboosi)
• fosfaattiryhmä
• typpiemäs

Yksikön nukleotidin deoksiriboosisokerin neljäs hiili muodostaa fosfodiesterisidoksen viereisen emäksen fosfaattiryhmän kanssa. Tämä muodostaa DNA:n säikeen sokeri-fosfaattirungon perustan.

Typpiemäkset ovat DNA:n ”kieltä”. DNA:ssa on neljä typpiemästä: guaniini (G), adeniini (A), tymiini (T) ja sytosiini (C). Ne voidaan jakaa kahteen ryhmään niiden rakenteen perusteella. Guaniini ja adeniini ovat puriineja, joissa on kahden hiilen typpirengas, ja tymiini ja sytosiini ovat pyrimidiiniä, joissa on yhden hiilen typpirengas.

Tämän neljän kirjaimen yhdistelmää DNA:n molekyyleissä kutsumme geneettiseksi koodiksi, ja tämä koodi pitää sisällään kaikki ohjeet kokonaisen elimistön rakentamiseen ja toimintaan!

Jokainen näistä polynukleotidisäikeistä on parina komplementaarisen säikeen kanssa, ja ne kiertyvät toistensa ympärille muodostaen kaksoiskierteisen rakenteen. Miten tämä monimutkainen rakenne paljastui?

DNA:n kaksoiskierukkarakenteen löytyminen

DNA:n kaksoiskierukkarakenteen löytyminen on yksi tärkeimmistä ja tunnetuimmista tieteellisistä läpimurroista. Löytö on biologi James Watsonin ja fyysikko Francis Crickin ansiota 1950-luvulla. He saivat myöhemmin Nobelin palkinnon tutkimuksestaan yhdessä Maurice Wilkinsin kanssa, jonka tärkeä rooli läpimurtoon johtaneessa tutkimuksessa on usein unohdettu. Hänen omaelämäkertansa on nimittäin otsikoitu ”The Third Man of the Double Helix”.

Ennen heidän löytöjensä julkaisemista DNA:n koostumusta oli jo tutkittu paljon ja valaistu jonkin verran. Esimerkiksi tiedettiin jo, että DNA koostuu nukleotideista ja että puriinien ja pyrimidiinien suhde DNA-molekyylissä on yhtä suuri (tunnetaan Chargaffin sääntönä).

Watson ja Crick päättelivät mallinsa yhdistämällä nämä todisteet sekä Rosalind Franklinin keräämät röntgenkristallografia-aineistot rakenteeksi, joka täytti kaikkien aiemmin kerättyjen todisteiden parametrit. He käyttivät useita pahvimalleja ja rakensivat niitä huolellisesti, kunnes ne muodostivat järkevän rakenteen. Tätä kautta he loivat mallin, jota pidetään laajalti paikkansapitävänä vuosikymmeniä myöhemmin. Voit lukea alkuperäisen artikkelin kommentteineen täältä.

Kun he saivat tutkimuksensa valmiiksi, heillä oli tiettävästi ”heureka”-hetki, ja Crick juoksi paikalliseen pubiinsa Cambridgessa ilmoittamaan, että hän ja Watson olivat ”löytäneet elämän salaisuuden”.

The Eagle -nimisessä pubissa pystytettiin muistolaatta sisälle ja yksi ulos muistoksi. Eräs yleisön jäsen muutti kerran muistolaattaa ja lisäsi siihen ”+ Franklin tunnustuksena Rosalind Franklinin tärkeästä roolista!”

DNA:n kaksoiskierteen rakenteen piirteet

Joitakin DNA:n kaksoiskierteen Watson/Crick-mallin tärkeitä piirteitä ovat:

Kierteen suuntautuneisuus

Yksittäinen DNA:n molekyyli koostuu kahdesta säikeestä, jotka kiertyvät toistensa ympärille muodostaen kierteen. Kierre kääntyy noin kerran kymmenen nukleotidin välein. Kierteen suunta on lähes aina oikeakätinen, eli jos kuvittelet kaksi säiettä kuin kierreportaat, joita aiot kävellä alaspäin, sinun pitäisi kääntyä oikealle laskeutuaksesi. Kierteen ulkopuoli sisältää DNA-juosteet, ja kierteen ydin sisältää typpiemäkset.

Komplementaariset emäsparit

Kun kummankin juosteen nukleotidit joutuvat vetysidokseen, ne tekevät sen tietyllä tavalla. Adeniinit parittuvat aina tymiinien ja sytosiinien kanssa ja aina guaniinien kanssa. Guaniinin ja sytosiinin välillä on kolme vetysidosta ja tymiinien ja guaniinien välillä kaksi vetysidosta. Näin ollen DNA:n säikeiden sanotaan olevan toisiaan täydentäviä.

Geneettinen koodi

Nukleotidien järjestys vaihtelee eri organismien välillä, ja se pitää sisällään geneettisen informaation ja tekee jokaisesta organismista ainutlaatuisen. DNA:n sekvenssi leviää sukupolvien välillä. Näin ollen DNA-sekvenssi on välttämätön elämän jatkumisen kannalta.

Antiparalleeli suuntaus

DNA-säikeet kulkevat antiparalleelisesti toisiinsa nähden. Tämä tarkoittaa sitä, että tietyn molekyylin lopussa toinen säie päättyy fosfaattiryhmään (nimeltään 5′, koska fosfaattiryhmä on kiinnittynyt viidenteen hiileen) ja toinen säie päättyy hydroksyyliryhmään (nimeltään 3′, koska OH-ryhmä on kolmannessa hiilessä). Molekyylin toisessa päässä on päinvastoin.

Suuret ja pienet urat

DNA:n rakenne tarkoittaa, että kahden säikeen selkäranka on lähempänä toisiaan spiraalin toisella puolella kuin toisella. Siellä, missä ne ovat lähempänä toisiaan, rakennetta kutsutaan suureksi uraksi. Siellä, missä ne ovat kauempana toisistaan, rakennetta kutsutaan pienemmäksi uraksi.

Nämä puolet ovat toiminnallisesti tärkeitä, sillä tietyt proteiinit sitoutuvat mieluiten suureen uraan. Nämä proteiinit ovat yleensä tekijöitä, joiden on oltava vuorovaikutuksessa nukleotidien kanssa, kuten transkriptiotekijät tai DNA:n replikaatioentsyymit. Sen sijaan muut proteiinit, jotka eivät tarvitse sekvenssispesifisyyttä, vuorovaikuttavat pienen uran kanssa.

Kierteen purkautumisentsyymi

Mutta jotta DNA voi periytyä seuraavalle sukupolvelle, se on kopioitava. Jotta kopiointi tapahtuisi uskollisesti, kaksoiskierre on kelattava tai purettava, jotta solukoneisto pääsee käsiksi nukleotidisekvenssiin. Tämän purkamisen suorittaa entsyymi helikaasi.

Helikaasin tehtävänä on muokata DNA:n rakennetta rikkomalla parillisten nukleotidien väliset vetysidokset. DNA:n helikaasi on tärkeä myös DNA-vaurioiden korjauksessa ja transkriptioprosessissa.

Vaihtoehtoiset DNA:n rakenteet

Watson ja Crickin malli viittaa DNA:n yleisimpään rakenteeseen, jota kutsutaan B-DNA:ksi. Kaksi muuta DNA:n konformaatiota ovat luonnossa paljon harvinaisempia: Z-DNA ja A-DNA. Z-DNA on vasenkätinen kierre, jossa ei ole voimakkaita eroja, jotka määrittelevät suuret ja pienet urat. A-DNA on rakenteeltaan paljon samankaltaisempi kuin B-DNA, mutta se on kokoonpuristuneempi ja tiiviimpi.

Visailu

Bibliografia