Solu biologia

DNA: geneettinen materiaali

1800-luvun alkupuolella tuli laajalti tunnetuksi, että kaikki elävät organismit koostuvat soluista, jotka johtuvat vain muiden solujen kasvusta ja jakautumisesta. Mikroskoopin parantaminen johti sitten aikakauteen, jonka aikana monet biologit havaitsivat intensiivisesti solujen mikroskooppista rakennetta. Vuoteen 1885 mennessä huomattava määrä epäsuoraa näyttöä osoitti, että kromosomit - tumanväriset säikeet solun ytimessä - kantoivat tietoa solun perinnöllisyydestä. Myöhemmin osoitettiin, että kromosomit ovat noin puoli DNA: ta ja puoli proteiinia painosta.

Vallankumouksellinen löytö, joka ehdotti, että DNA-molekyylit voisivat tarjota tietoa omalle replikaatiolleen, tuli vuonna 1953, kun amerikkalainen geneetikko ja biofyysikko James Watson ja brittiläinen biofyysikko Francis Crick ehdottivat mallia kaksijuosteisen DNA-molekyylin (nimeltään DNA-kaksoiskierre) rakenteelle.). Tässä mallissa kukin juoste toimii templaattina komplementaarisen juosteen synteesissä. Myöhemmät tutkimukset vahvistivat Watsonin ja Crickin DNA-replikaatiomallin ja osoittivat, että DNA: lla on geneettinen tieto koko solun lisääntymiselle.

Kaikkien solun geneettisten tietojen ajateltiin alun perin rajoittuvan solun ytimen kromosomien DNA: han. Myöhemmissä löytöissä löydettiin pieniä määriä lisägeeni-informaatiota, joka on läsnä paljon pienempien kromosomien DNA: ssa, jotka sijaitsevat sytoplasman kahdessa organellilajissa. Nämä organelit ovat mitokondrioita eläinsoluissa ja mitokondrioita ja klooriplastoja kasvisoluissa. Erityisissä kromosomeissa on tietoa, joka koodaa joitain monista proteiineista ja RNA-molekyyleistä, joita organelit tarvitsevat. He viittaavat myös näiden organelleiden evoluutioperäiseen alkuperään, joiden uskotaan alkaneen vapaasti elävinä bakteereina, jotka muut organismit ottivat vastaan ​​symbioosissa.

RNA: replikoitu DNA: sta

RNA: n on mahdollista replikoitua itse mekanismeilla, jotka liittyvät DNA: n käyttämiin, vaikka sillä on yksijuosteinen kaksijuosteisen rakenteen sijasta. Varhaisissa soluissa RNA: n uskotaan replikoituneen itsensä tällä tavalla. Kaikki nykypäivän solujen RNA syntetisoidaan kuitenkin erityisillä entsyymeillä, jotka rakentavat yksijuosteisen RNA-ketjun käyttämällä DNA-heliksin yhtä juostetta templaattina. Vaikka RNA-molekyylit syntetisoidaan solutumassa, jossa DNA sijaitsee, suurin osa niistä kuljetetaan sytoplasmaan ennen niiden toimintojen suorittamista.

Solujen RNA-molekyyleillä on kaksi pääroolia. Jotkut, ribotsyymit, taittuvat tavoilla, jotka sallivat niiden toimia katalysaattoreina erityisissä kemiallisissa reaktioissa. Toiset toimivat “lähetti-RNA: na”, joka tarjoaa malleja, jotka määrittelevät proteiinien synteesi. Ribosomit, pienet proteiinien syntetisointikoneet, jotka sijaitsevat sytoplasmassa, “lukevat” Messenger-RNA-molekyylit ja “kääntävät” ne proteiineiksi geneettisen koodin avulla. Tässä translaatiossa Messenger-RNA-ketjun nukleotidisekvenssi dekoodataan kolme nukleotidia kerrallaan, ja jokainen nukleotiditripaletti (nimeltään kodoni) määrittelee tietyn aminohapon. Siten DNA: n nukleotidisekvenssi määrittelee proteiinin edellyttäen, että lähetti-RNA-molekyyli tuotetaan siitä DNA-sekvenssistä. Jokaista DNA-sekvenssin aluetta, joka määrittelee tällä tavalla proteiinin, kutsutaan geeniksi.

Edellä esitetyillä mekanismeilla DNA-molekyylit katalysoivat paitsi omaa päällekkäisyyttään, myös sanelevat kaikkien proteiinimolekyylien rakenteet. Yksi ihmisen solu sisältää noin 10 000 erilaista proteiinia, jota tuotetaan ekspressoimalla 10 000 erilaista geeniä. Itse asiassa joukon ihmisen kromosomeja ajatellaan sisältävän DNA: ta, jolla on tarpeeksi tietoa 30 000 - 100 000 proteiinin ekspressoimiseksi, mutta suurin osa näistä proteiineista näyttää olevan valmistettu vain erikoistuneista solutyypeistä, eikä niitä siksi ole läsnä koko kehossa. (Katso lisätietoja seuraavasta ytimestä.)

Solujen organisointi

Solunsisäinen viestintä

Solu, jolla on monia erilaisia ​​DNA-, RNA- ja proteiinimolekyylejä, on aivan erilainen kuin koeputkessa, joka sisältää samat komponentit. Kun solu liuotetaan koeputkeen, tuhannet erityyppiset molekyylit sekoittuvat sattumanvaraisesti keskenään. Elävässä solussa nämä komponentit kuitenkin pidetään tietyissä paikoissa, mikä heijastaa solun kasvulle ja jakautumiselle välttämätöntä suurta organisoitumisastetta. Tämän sisäisen organisaation ylläpitäminen vaatii jatkuvaa energian syöttämistä, koska spontaanit kemialliset reaktiot aiheuttavat aina hajoamista. Siten suuri osa ATP: n hydrolyysin vapauttamasta energiasta polttaa prosesseja, jotka järjestävät makromolekyylejä solun sisällä.

Kun eukaryoottisolua tutkitaan suurella suurennuksella elektronimikroskoopilla, käy ilmi, että spesifiset kalvoon sitoutuneet organelit jakavat sisäosan useisiin alaosastoihin. Vaikka biokemiallisista määrityksistä ei ole havaittavissa elektronimikroskoopissa, on selvää, että jokainen organeli sisältää erilaisen sarjan makromolekyylejä. Tämä biokemiallinen erottelu heijastaa kunkin osaston toiminnallista erikoistumista. Siten mitokondriat, jotka tuottavat suurimman osan solun ATP: stä, sisältävät kaikki entsyymit, joita tarvitaan trikarboksyylihapposyklin ja oksidatiivisen fosforylaation suorittamiseen. Samoin hajoavat entsyymit, joita tarvitaan ei-toivottujen makromolekyylien solunsisäiseen pilkkomiseen, rajoittuvat lysosomeihin.

Joidenkin soluosastojen käyttämät suhteelliset tilavuudet tyypillisessä maksasolussa

solukotelo	prosenttia solun kokonaistilavuudesta	likimääräinen määrä solua kohti
sytosoliin	54	1
mitokondrio	22	1700
endoplasminen reticulum plus Golgi-laite	15	1
tuma	6	1
lysosomitoiminnan	1	300

Tästä toiminnallisesta segregaatiosta on selvää, että solun ytimessä olevien geenien määrittelemät monet erilaiset proteiinit on kuljetettava osastoon, jossa niitä käytetään. Ei ole yllättävää, että solu sisältää laajan membraaniin sitoutuneen järjestelmän, joka on omistettu ylläpitämään juuri tätä solunsisäistä järjestystä. Järjestelmä toimii postitoimistona, joka takaa vasta syntetisoitujen makromolekyylien oikean reitityksen oikeaan määränpäähänsä.

Kaikki proteiinit syntetisoidaan sytosolissa sijaitsevilla ribosomeilla. Heti kun proteiinin aminohapposekvenssin ensimmäinen osa tulee ulos ribosomista, se tarkistetaan lyhyen ”endoplasmisen retikulumin (ER) signaalisekvenssin esiintymisen suhteen”. Ne ribosomit, jotka tekevät proteiineja sellaisella sekvenssillä, kuljetetaan ER-kalvon pintaan, missä ne suorittavat synteesinsä loppuun; näihin ribosomeihin tehdyt proteiinit siirretään välittömästi ER-kalvon läpi ER-lokeron sisäpuolelle. Proteiinit, joista puuttuu ER-signaalisekvenssi, jäävät sytosoliin ja vapautuvat ribosomeista, kun niiden synteesi on valmis. Tämä kemiallinen päätöksentekoprosessi sijoittaa jotkut vasta valmistuneet proteiiniketjut sytosoliin ja toiset sytoplasman laajaan membraaniin rajoittuvaan osastoon, mikä edustaa ensimmäistä vaihetta solunsisäisessä proteiinilajittelussa.

Uudet valmistetut proteiinit molemmissa soluosastoissa lajitellaan sitten edelleen niiden sisältämien lisäsignaalisekvenssien mukaan. Osa sytosolin proteiineista pysyy siellä, kun taas toiset menevät mitokondrioiden tai (kasvisoluissa) kloroplastien pintaan, missä ne siirtyvät kalvojen kautta organelleihin. Kummankin näiden proteiinien alainsignaalit osoittavat sitten tarkalleen, mihin organeliin proteiini kuuluu. Alun perin ER: ään lajiteltuilla proteiineilla on vielä laajempi kohdealue. Jotkut heistä pysyvät ER: ssä, missä ne toimivat osana organelliä. Suurin osa kulkeutuu kuljetusrakkuloihin ja kulkee Golgi-laitteeseen, erillisiin kalvoihin rajoitetuihin organelleihin, jotka sisältävät ainakin kolme alaosastoa. Jotkut proteiineista säilyvät Golgin alaosastoissa, joissa niitä käytetään kyseiselle organelleelle ominaisiin toimintoihin. Lopulta ne tulevat rakkuloihin, jotka jättävät Golgin muihin solukohteisiin, kuten solukalvo, lysosomit tai erityiset eritysrakkulat. (Katso lisätietoja kohdasta Sisäiset kalvot.)