MOLEKULAARBIOLOOGIA ABC
Kõigepealt mõned üldised tõed.
Kõik elusorganismid (ka kõige erinevamad) on tegelikult üsna sarnased ja koosnevad väga sarnastest ehitusplokkidest - rakkudest. Rakud omakorda on väga sarnase ehitusega ja sisaldavad ühesuguseid organelle. DNA esineb rakkudes kahes kohas - tuumas nn genoomne DNA, millest räägitakse, kui räägitakse kromosoomidest. Kromosoomide arv väga erinevatel liikidel on pigem sarnane (Joon. 1), kui erinev, rohkem erineb DNA struktuur ja organiseerituse tase kromosoomides. Mitokondrites ning kloroplastides paikneb nn plastiidne ja mitokondriaalne DNA. Plastiidid esinevad taimedel ja vetikatel, loomarakus neid pole. Joonis 2. Replikatsioonikahvli skeem.
(Autor: Katrin Kaldma.) |
Joonis 1. Erinevate organismide kromosoomide arv (haploidne kromosoomistik)
Allikas: Geneetika (2012) lk.108 Iga uue raku "tekkimine", organismi kasvamiseks ja arenemiseks eriti, aga ka muul ajal toimub pidev rakkude uuenemine, tähendab seda, et kuskilt peab igasse uude rakku tulema uus DNA-komplekt. Rakkudes toimub pidev replikatsiooni-protsess (Joon.2) - DNA süntees ahela kopeerimise kaudu. Replikatsioon on kompleksne protsess, kuid siin on esitatud selle lihtsustatud skeem. Ühe ahela süntees toimub pideva protsessina, teine toimub osadena (Okazaki fragmentidena), mis siis hiljem omavahel ühendatakse. Siit avaneb animatsioonilink. Replikatsioon on väga täpne (mis on organismide pikka arengulugu ja eksisteerimist vaadates ainuvõimalik) ja vigade tekkimine selle käigus on haruldane sündmus. Juhul, kui siiski peaks viga sisse juhtuma, siis parandamiseks on rakus "järjestuse toimetajaid" - ensüümid, mis kõike veel mitmekordselt kontrollivad. |
Pidev protsess rakkudes on ka RNA- ja valgusüntees. See algab transkriptsiooniga, mille käigus DNAst kopeeritakse RNA-ahel ja edasi tõlgitakse e. transleeritakse kolmenukleotiidiline RNA triplettide kood aminohapetest koosnevaks polüpeptiidiks. Transkriptsiooni-translatsiooni link.
Valke ja regulatoorseid järjestusi määravad geenid paiknevad kromosoomide lookustes ja diploidse kromosoomistiku (üks koopia kummaltki vanemalt) korral on organismidel lookustes kaks alleeli. Alleelid on geeni eksisteerimise variandid. Kui mõlemad vanemad kannavad ühesuguseid alleele, siis on nende järglane selle tunnuse suhtes monomorfne (s.t. varieeruvust pole), kui vanemate alleelid erinesid, siis järglase alleelid on polümorfsed.
Liigi ja populatsiooni hea tervise mõõduks on geneetiline varieeruvus, mille tagavad polümorfsed tunnused, s.o. võimalikult palju DNA järjestuse variante. Niisiis, DNA-ahelas toimuvad siiski muutused - mutatsioonid ning need on uute kohastumuste tekkeks ja liikide püsimajäämiseks hädavajalikud. Muutuseid kutsuvad esile näiteks kiirgus, vabad radikaalid, kemikaalid, ainevahetussaadused, ensüümide vead nn. keeruliste (näiteks kordus-) järjestuste paljundamisel jpm.
Mutatsioonid võivad olla transitsioonid (Joon.3) või transversioonid (Joon.4). Kuigi viimase toimumiseks on võimalikke vahetusvariante kaks korda rohkem, toimub transitsioone sagedamini. Mutatsioonide mõju koodoni erinevates positsioonides on erinev. Kolmandas positsioonis toimuv muutus omab kõige väiksemat mõju aminohappelisele järjestusele, muutus teises positsioonis omab suuremat mõju (s.t. kas muudab aminohappe omadusi ja seeläbi valgu omadusi või muudab aminohapet kodeeriva koodoni stoppkoodoniks jne jne.) ja nukleotiidi muutmine esimeses positsioonis on kõige suurema kaaluga. Näited koodoni variantidest lingil. |
Joonis 3. Mutatsioonide tüübid, transitsioonid, puriini asendumine puriiniga, pürimidiini asendumine pürimidiiniga. (Autor: Katrin Kaldma.)
Joonis 4. Mutatsioonide tüübid, transversioonid, puriini asendumine pürimidiiniga ja vastupidi.
(Autor: Katrin Kaldma.) |
Joonis 5. Insertsioon, DNA-järjestuse lisandumine ahelasse. (Autor: Katrin Kaldma.)
|
Insertsiooni (Joon.5) tulemusena lisandub DNA-ahelasse aluspaar või terve järjestus. Nii võib juhtuda näiteks viiruste toimel.
Taolise protsessi mõju või tagajärg sõltub piirkonnast, kus sündmus toimus - kui juhtus geenis või mõnes regulatoorses piirkonnas, siis on mõju kindlasti tõsine ja geeni või regulaatorpiirkonna funktsioon rikutakse. Kui selline asi juhtub mõnes kordusjärjestuste piirkonnas, siis suure tõenäosusega sellest midagi ei järeldu. Insertsiooni puhul on tähtis ka mitu alust lisandub, kas järjestus jääb endisesse lugemisraami (lisandub 3-ga jaguv arv nukleotiide) või toimub lugemisraami nihe. |
Joonis 6. Deletsioon, DNA-järjestuse kadu ahelast. (Autor: Katrin Kaldma.)
|
Deletsioonide (Joon.6) puhul on toime eelmisega sarnane - kui tegemist on lühikese järjestusega, mis ei muuda lugemisraami või langeb ebaolulisse piirkonda, siis on mõju ühesugune.
Geenis või muus olulises järjestuses tekitab deletsioon tõsisemaid tagajärgi. Genoomide võrdlemisel ja analüüsimisel on näha, kuidas organismide ajaloo käigus on DNA-järjestusse lisandunud ja sealt ka kadunud järjestusi. Loomulikult pole tegemist iseeneslike protsessidega, neid käivitavad genoomi mobiilsed elemendid, viirused, ioniseeriv kiirgus vms. |
Inversiooniks (Joon.7) nimetatakse DNA-järjestuse ümberpöördumist. Kui see hõlmab pika järjestuse, siis võib muutuda geenide järjekord. Ka lühemate järjestuste korral on oluline, kas nihkub lugemisraam, muutuvad aminohapped jms.
Eelpool nimetatud ümberkorraldused on vaid osa võimalikest DNA-järjestuste muutustest. Joonis 7. Inversioon, DNA-järjestuse osaline ümber-pöördumine.
(Autor: Katrin Kaldma.) |
Nagu juba eelpool mainitud, ümberkorraldused ja muutused on sobivad molekulaarseteks markeriteks.
Joonise 1 põhjal liikide võrdluses kromosoomide arv väga kardinaalselt ei erine, kuid genoomide tegelikud suurused ja ülesehitus erineb oluliselt rohkem. DNA hulk enamikul liikidel on väga palju suurem, kui oleks vajalik geenidele. Vähemasti väidetakse nii praeguste teadmiste taustalt. Sellegipoolest, pika arengu tagajärjel on kromosoomides endiselt väga palju segase funktsiooniga järjestusi ja üllatavalt palju tõestatud (Joon.8) ja prognoositavat homoloogiat erinevate liikide valkude järjestustes - ühisele põlvnemisele viitav fakt.
Joonise 1 põhjal liikide võrdluses kromosoomide arv väga kardinaalselt ei erine, kuid genoomide tegelikud suurused ja ülesehitus erineb oluliselt rohkem. DNA hulk enamikul liikidel on väga palju suurem, kui oleks vajalik geenidele. Vähemasti väidetakse nii praeguste teadmiste taustalt. Sellegipoolest, pika arengu tagajärjel on kromosoomides endiselt väga palju segase funktsiooniga järjestusi ja üllatavalt palju tõestatud (Joon.8) ja prognoositavat homoloogiat erinevate liikide valkude järjestustes - ühisele põlvnemisele viitav fakt.
Joonis 8. Teadaolevate ja oletatavate inimese valkude homoloogia teiste liikide homoloogsete valkudega.
Allikas: Geneetika (2012) lk.348.