DNA
Deoksiribonukleiinihappo eli DNA on nukleiinihappo, joka sisältää kaikkien eliöiden solujen ja joidenkin virusten geneettisen materiaalin. Eliön lisääntyessä geneettinen materiaali kopioituu ja välittyy jälkeläisille.
Eukaryooteissa DNA on kromosomeissa solun tumassa. Prokaryooteissa DNA on rengasmaisena molekyylinä solun sisällä ilman tumaa nukleoidiksi kutsutulla alueella. Eläin- ja kasvisolujen mitokondriot sekä kasvisolujen kloroplastit sisältävät oman rengasmaisen DNA:nsa kuten bakteereissa. Ihmisen mitokondriaalinen DNA on maternaalista, eli periytyy aina äidiltä.
Jos yhden ihmisen solun DNA avattaisiin yhdeksi nauhaksi, tulisi pituudeksi noin kaksi metriä. Yhden ihmisen kaikkien solujen DNA yhteensä ylettyisi Maasta Kuuhun ja takaisin. Ihmisen perimästä vain noin 1,5 % on proteiineja koodaavaa DNA:ta.
DNA-kierre koostuu kahdesta juosteesta, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa typpiemäsosien välisin vetysidoksin. Nämä juosteet ovat makromolekyylejä, jotka koostuvat kolmenlaisista yksiköistä:Kun sokeriin esteröityy fosforihappo, saadaan nukleotidi. Nukleotidit polymeroituvat esterireaktiolla, jolloin syntyy nukleiinihappoketju. Fosfori­happo ja deoksi­riboosi vuorottelevat DNA:n ketjussa, ja jokaiseen deoksi­riboosi­yksikköön on lisäksi kytkeytynyt jokin typpi­emäksistä. Typpi­emästen järjestys voi vaihdella, kuitenkin siten, että kun toisessa kierteessä on adeniini, on toisessa aina vastaavalla kohdalla tymiini ja päin­vastoin, ja vastaavasti kun toisessa kierteessä on sytosiini, on toisessa aina guaniini ja päin­vastoin. Emästen järjestyksestä riippuu, millä tavoin DNA:sta muodostunut geeni vaikuttaa.
Sekundaarirakenteena on kaksoiskierre, α-helix, jossa emäsparit liittyvät oikeakätisesti yhteen siten että muodostuu A-T ja C-G pareja. Kun toisessa kierteessä on adeniini, on toisessa aina vastaavalla kohdalla tymiini ja päin­vastoin, ja vastaavasti kun toisessa kierteessä on sytosiini, on toisessa aina guaniini ja päin­vastoin. Yhdessä helixin kierteessä on kymmenen emäsparia.
Tertiäärirakenne, nk. 30 nm kierre, perustuu DNA:n kietoutumiseen histoniproteiinien ympärille, jolloin DNA on tarpeeksi pienessä tilassa mahtuakseen tumakoteloon. Histonien sijoittelun muuttaminen 30 nm kierteessä mahdollistaa myös transkription säätelyn, koska siten transkription aloituskohdat voidaan tarvittaessa joko paljastaa tai piilottaa. Tertiäärirakenne ehkäisee myös osaltaan DNA:n katkeilua.
Solun jakautuessa myös sen DNA on kopioitava. Kopioitaessa DNA:n kaksoiskierre avautuu ja DNA:n molemmat säikeet täydennetään täydelliseksi kopioksi. DNA:n kopioituminen on siis "semikonservatiivista", sillä syntyneiden uusien DNA-molekyylien toinen juoste on aina peräisin alkuperäisestä DNA-molekyylistä. Uusi DNA-molekyyli perii myös puolet vanhaan DNA-rihmaan assosioituneista proteiineista, kuten esimerkiksi histoneista.
DNA:n epäsymmetrisyyden vuoksi entsyymit voivat lukea sitä vain yhteen suuntaan, jota nimitetään 5′-3′ -suunnaksi. DNA-polymeraasi-δ täydentää toista säiettä 5′-3′ -suuntaan ja DNA-polymeraasi-ε toista säiettä. Koska toista säiettä ei voi kopioida kerralla, polymeraasi-ε tuottaa kopioita 100–200 emäsparin palasissa, Okazaki-fragmenteissa, jotka toinen entsyymi, DNA-ligaasi, yhdistää yhtenäiseksi ketjuksi.
Ihmisen yhden kromosomin DNA:ssa on keskimäärin 150 miljoonaa emäsparia, joita voidaan kopioida 50 emäsparia sekunnissa. Kokonaisuudessaan kopiointi kestää vain tunnin, kun se aloitetaan monesta kohdasta yhtäaikaisesti (nk. replikaation aloituskohta, "origin of replication", ORI). Kopioinnissa on virheenkorjausmekanismeja, joiden ansiosta keskimäärin vain 2,5 sadasta miljoonasta emäsparista kopioituu väärin.
Geenissä sarja DNA:n nukleotideja muodostaa ohjeen proteiinin valmistamiseen. Eukaryooteilla proteiinisynteesi alkaa tumassa, jossa DNA:n transkriptio tapahtuu. Transkriptiossa kaksoiskierre avautuu helikaasi-entsyymin avulla ja DNA:sta kopioituu lähetti-RNA, mRNA, joka on peilikuva alkuperäiselle geenille. Transkriptiota ohjaavat useat transkriptiofaktorit, jotka säätelevät geenien kopiointia mRNA:ksi. Lähetti-RNA kulkee tumakalvon läpi tumahuokosten kautta solulimaan. Ennen kuin proteiinisynteesi alkaa, tapahtuu eukaryooteilla mRNA:n silmukointi eli pujonta. Silmukointi tarkoittaa intronien poistamista geenin koodaavien osien, eksonien välistä. Silmukointi voi tapahtua monella tavalla: joskus jokin introneista voidaan jättää silmukoimatta tai jokin eksoneista voidaan silmukoida pois kypsästä mRNA:sta. Vaihtoehtoisen silmukoinnin avulla yhdestä geenistä saadaan useita erilaisia proteiineja.
Silmukoinnin jälkeen on vuorossa mRNA:n translaatio: mRNA:n nukleotidijärjestys muutetaan proteiinin aminohappojärjestykseksi. Kolmen peräkkäisen emäksen jakso mRNA:ssa on "kodoni". Se määrää proteiinisynteesissä käytettävät aminohapot. Koska neljästä emäksestä saadaan 64 erilaista kolmen emäksen yhdistelmää, ja aminohappoja on vain noin 20, niin jokaista aminohappoa vastaa geneettisessä koodissa useampi kodoni. Tämän lisäksi kodoneista yksi on nk. aloituskodoni ja kolme erilaisia lopetuskodoneja, jotka määrittävät translaation alku- ja loppukohdan. Translaatio tapahtuu joko soluliman vapaissa ribosomeissa tai endoplasmakalvostoon kiinnittyneissä ribosomeissa. Ensimmäisessä vaihtoehdossa proteiini jää solulimaan tai kulkeutuu tumaan. Jälkimmäisessä tuotetaan proteiineja eksosytoitaviksi (ks. alla) tai kalvoproteiineiksi (esimerkiksi solukalvolle, tumakalvolle, endoplasmakalvostolle). Translaatiossa ribosomi kiinnittyy mRNA-ketjuun. tRNA-molekyylit (siirtäjä-RNA, eli tRNA) käy sovittamassa omaa antikodoniaan (kodonin peilikuva) mRNA:n kodoniin. Jos ne täsmäävät, niin tRNA jää paikalle, ja ribosomi siirtyy seuraavan kodonin kohdalle. Näin aminohappoketju pitenee, kunnes tullaan lopetuskodonin (UAA, UAG tai UGA) kohdalle. Proteiinin täytyy seuraavaksi laskostua, ja siihen liitetään endoplasmakalvostossa ja Golgin laitteessa hiilihydraattiosia (translaation jälkeinen modifikaatio; ).
Ensimmäisen kerran DNA:n eristi sveitsiläinen tutkija Friedrich Miescher vuonna 1869 lohen mädistä ja tulokset julkaistiin kaksi vuotta myöhemmin. Löytämänsä molekyylin merkityksestä hänellä ei vielä ollut aavistustakaan. DNA:n tehtävän perimän siirtäjänä osoittivat kokeellisesti amerikkalaiset Oswald Avery, Colin MacLeod ja Maclyn McCarty lähes 70 vuotta myöhemmin.
DNA:n kemiallisten ominaisuuksien näennäinen yksinkertaisuus johti biologit epäilemään, ettei se voisi olla geneettisen informaation säilytysmolekyyli. DNA:n rakenteen ratkaisu perustui sen kemiallisten ominaisuuksien tuntemiseen. 1950-luvulla Lontoon King's Collegessa vaikuttanut Rosalind Franklin ja Cambridgen yliopistossa vaikuttaneet James D. Watson ja Francis Crick ratkaisivat DNA:n rakenteen. Watson ja Crick julkaisivat kuuluisan artikkelinsa ”Molecular structure of nucleic acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid” "Nature"-lehdessä 1953. DNA:n rakenteen tunteminen mahdollisti kaikki molekyylibiologian edistysaskeleet tästä eteenpäin. Watson ja Crick saivat Nobelin palkinnon 1962 DNA-tutkimuksistaan yhdessä Maurice Wilkinsin kanssa. Rosalind Franklinin varhainen kuolema 1958 esti häntä saamasta Nobelin palkintoa, koska sitä ei jaeta postuumisti.
Myös DNA-tunnisteiden käyttö rikostutkinnassa on yhä yleisempää. Suomessa DNA-tutkimuksia tehdään niin henki- kuin omaisuusrikoksissakin. Rikostutkinnassa DNA:a voi löytyä muun muassa siemennesteestä tai ihokudoksesta. Rikostutkinnassa DNA on erittäin luotettava todiste syyllisyyskysymyksen selvittämisessä. Sen avulla voi myös todistaa isyytensä yleensä jopa yli 99,99 % varmuudella.
DNA:n käyttö rikostutkinnassa perustuu kromosomien ei-koodaavalla alueella sijaitseviin, yleensä 4-5 emäsparin mittaisten toistojaksoihin (eng. short tandem repeat, STR). Tiettyjä toistojaksojen alueita monistamalla saadaan aikaan ihmisen yksilöivä DNA-tunniste. Koska toistojaksojen pituudet vaihtelevat eri ihmisillä, voidaan riittävän monta aluetta tutkimalla laskea tilastollinen todennäköisyys samanlaisen DNA-profiilin esiintymiselle.
Poliisin rikospaikoilta kerättyjä DNA-näytteitä verrataan DNA-rekisteriin. Suomessa poliisi voi suorittaa henkilökatsastuksen sellaiselle henkilölle, jota todennäköisin syin epäillään sellaisesta rikoksesta, josta säädetty ankarin rangaistus on enemmän kuin kuusi kuukautta vankeutta, taikka rattijuopumuksesta sekä huumausaineen käyttörikoksesta. Henkilökatsastuksen yhteydessä epäillyltä otetaan DNA-näyte posken limakalvolta. Epäillyn antamasta näytteestä määritetään epäillyn DNA-profiili, joka tallennetaan poliisin DNA-rekisteriin.