DNA

Wikipedia

Den övergripande strukturen i ett avsnitt av DNA.

Animerad bild av DNA-molekylen

DNA (förkortning av ”deoxyribonucleic acid”), eller deoxiribonukleinsyra, är det kemiska ämne som är bärare av den ärftliga informationen, genomet, i kroppens celler. Molekylen består av en kedja av nukleotider som genom den genetiska koden beskriver hur en organisms proteiner skall byggas upp av aminosyror.

Merparten av en cells DNA finns i form av en eller flera kromosomer. I de celler som bygger upp eukaryota organismer, så som växter, djur, svampar och protister, finns det mesta av DNA:t i cellkärnan. En mindre del återfinns i kroppens kraftstationer mitokondrierna. Hos växter finns en mindre mängd DNA också i de energigenererande cellorganen kloroplasterna, där fotosyntesen sker. Även det genetiska materialet i virus består ofta av DNA.

DNA är ärftlighetens molekyl och innehåller all information om de ärftliga egenskaperna hos en organism. Vid celldelningen överförs hela informationen i DNA-molekylerna till nästa generation av celler genom att molekylerna replikeras och kopior av molekylerna hamnar i alla dotterceller. Genom fortplantning förs DNA-molekylens information över till de nya generationerna.

[redigera] Kemisk struktur

DNA-molekylens schematiska uppbyggnad. Deoxyribos (ljusblått) och fosfat (blålila), är ihoplänkat till två kedjor. Kvävebaserna (A,T,G,C) är ihopbundna med vätebindningar

DNA är en nukleinsyra som är uppbyggd av långa kedjor av nukleotider. Varje nukleotid består av en sockermolekyl av arten deoxiribos, en fosfatmolekyl och en kvävebas som kan vara av fyra olika slag: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). Sekvensen av dessa kvävebaser i DNA-molekylen är den genetiska kod i vilken uppbyggnaden av kroppens alla proteiner finns angiven. En gen i arvsmassan är helt enkelt en sekvens av nukleotider i en kromosom, som kodar för ett specifikt protein.

DNA-molekylen kan finnas i flera något olika former. Hos vissa virus finns enkelsträngat DNA, men den vanligaste är den dubbelspiral, så kallad dubbelhelix, av två nukleotidkedjor, som upptäcktes och beskrevs av Francis Crick och James Watson 1953. Tillsammas med Maurice Wilkins mottog de nobelpriset i medicin 1962 för sin upptäckt.

I denna form som brukar kallas ”B” består DNA-molekylen av två kedjor där nukelotidernas socker- och fosfat-delar är vända utåt och bildar två ”ryggrader” som är ihoptvinnade till en dubbel spiral. Kvävebaserna är vända inåt mot spiralernas mitt där de parvis, en bas från varje kedja, är ihopkopplade med vätebindningar. Baserna kan inte kopplas ihop hur som helst. En adeninbas i den ena kedjan är alltid bunden till en tyminbas i den andra, detta genom två vätebindningar, medan en cytosinbas alltid är bunden till en guaninbas i den andra kedjan och detta genom tre vätebindningar. På så sätt är den ena kedjan den andra kedjans ”komplement”; från en kedja kan man alltid återskapa den andra. Detta är grunden för DNA-molekylens funktion som bärare av den genetiska informationen. Ett högre antal vätebindningar, alltså fler cytosin-guanin-kopplingar, gör molekylen mer värmetålig och återfinns därför ofta hos termofila bakterier.

DNA-molekylen följer Chargaffs regel, vilken säger att det alltid finns lika många adenosinbaser som tyminbaser och lika många cytosinbaser som guaninbaser. Två nukleotider ihopkopplade via sina kvävebaser på detta sätt kallas ett baspar. Det går cirka 10 baspar per varv i DNA-spiralen. Varje sådant varv har en höjd av cirka 3,4 nanometer. Diametern på spiralen är cirka 2 nanometer.

I alla högre organismer finns DNA-molekylerna i kombinationer med proteiner, histoner, i en tätpackad form som kallas kromatin i cellens kromosomer.

[redigera] Replikation

DNA som delar sig och skapar en kopia av sig själv

Huvudartikel: Replikation

Replikation är den process som dubblerar DNA-molekylen vid celldelningen så att en kopia av molekylen kan hamna i varje dottercell. På så sätt förs den genetiska informationen vidare från cellgeneration till cellgeneration.

Replikationen i en prokaryot cell är omfångsrik och komplex. Flera olika enzym deltar i reaktionerna och det krävs både snabba och exakta metoder vilket uppfylls genom att en rad olika enzym verkar tillsammans.

Vid celldelningen rätas dubbelspiralen i DNA-molekylen ut, och de två kedjorna skiljs åt likt de två delarna av ett blixtlås under inverkan av enzymet helikas. Med hjälp av ett flertal proteiner och enzymer varav det viktigaste är DNA-polymeras byggs en ny komplementär kedja upp genom att matchande nukleotider läggs på plats. Snart har två nya kompletta identiska DNA-molekyler bildats. De två nya DNA-molekylerna hamnar sedan i varsin dottercell.

Oftast sker denna DNA-replikation utan problem och de båda nya DNA-molekylerna blir identiska med den ursprungliga. Ibland inträffar emellertid ett fel i kopieringen och den genetiska informationen har förändrats; en mutation har uppstått. Cellen har olika system för att upptäcka och reparera sådana felkopieringar, men det hjälper inte alltid. Olika former av yttre påverkan som till exempel högenergetisk strålning eller olika kemikalier ökar antalet mutationer.

[redigera] Transkription

Huvudartikel: transkription (cellbiologi)

Den genetiska informationen i DNA-molekylen är uppdelad i bitar, gener, som var och en utgör ett recept på, en instruktion för, hur ett protein ska tillverkas. Informationsflödet, när receptet för ett protein ska överföras till cellens ribosomer där proteinsyntesen sker, går via RNA-kopior av genen.

Denna process när DNA-information förs över till RNA-information kallas transkription. Vid transkriptionen översätts en gens bassekvens i en av DNA-kedjorna till motsvarande sekvens av baser i en RNA-molekyl. Den på så sätt skapade RNA-typen kallas budbärar-RNA eller mRNA (av engelska messenger-RNA) eftersom den fungerar som en ”budbärare” från DNA i cellkärnan till proteintillverkningen i ribosomerna. Till skillnad från DNA som har de kemiska bokstäverna A, C, T och G så har budbärar-RNA bokstaven U för uracil i stället för T. Vilket ger A, C, U och G.

I eukaryota celler sker transkriptionen till mRNA ofta i flera steg. I det första steget tillverkas en preliminär mRNA (pre-mRNA) genom direkt transkription av den ursprungliga DNA-sekvensen. Denna preliminära mRNA redigeras sedan genom att intron-sekvenser (sekvenser som inte kodar några aminosyror) tas bort. De kvarvarande bitarna, (exonerna), kombineras sedan ihop till den slutliga mRNA-sekvensen.

[redigera] Historia

Friedrich Miescher (1844–1895) beskrev första gången 1869 en substans som han kallade ”nuklein”, som han funnit i cellkärnor. Något senare lyckades han framställa detta ämne i ren form genom att utgå från laxsperma, och 1889 fick ämnet namnet ”nukleinsyra” av Mieschers elev Richard Altman. Man fann att ämnet endast existerade i kromosomerna.

På 1930-talet genomförde Max Delbrück med flera experiment som visade att man genom att utsätta celler för röntgenstrålar kunde förändra de ärftliga egenskaperna hos cellerna. Det föreslogs att kromosomernas kemiska struktur på något sätt bestämde dessa ärftliga egenskaper. Precis hur denna kemiska struktur kunde påverka en organisms egenskaper och beteende föreföll oförklarligt vid denna tidpunkt. De kemiska undersökningarna av olika nukleinsyrepreparat gav alltid samma resultat i form av de fyra typerna av nukleotider i ungefär samma proportioner. Kromosomernas kemiska uppbyggnad föreföll alltså enkel och likformig vilket stod i stark kontrast till de levande organismernas komplexitet, mångfald och variation.

På 1950-talet pågick forskning om DNA-molekylens struktur endast på några få ställen. En grupp forskare i USA leddes av Linus Pauling. I England intresserade sig två grupper för problemet. Vid University of Cambridge fanns bland andra Francis Crick och James Watson och vid King's College i London arbetade Maurice Wilkins och Rosalind Franklin med att med hjälp av röntgendiffraktion fastställa DNA-molekylens struktur. 1948 hade Pauling upptäckt att många proteiner hade en spiralstruktur, och de första undersökningarna med röntgendiffraktion antydde att även DNA hade en sådan struktur, men någon detaljerad förståelse av molekylens uppbyggnad hade man ännu inte.

Crick och Watson försökte konstruera rimliga modeller utgående från kända fakta, men antalet möjligheter var fortfarande många. Ett genombrott skedde när den österrikiske kemisten Erwin Chargaff besökte Cambridge och beskrev ett av sina experiment. Han hade fastställt att prover av DNA inte alltid hade samma proportioner av de olika nukleotiderna, men att de alltid hade lika koncentration av adenin som av tymin och lika koncentration av guanin som av cytosin. Crick och Watson började fundera på strukturer som innefattade två trådar med kompletterande nukeotidbaser bundna till varandra. Med hjälp av information från Rosalind Franklins röntgendiffraktionsbilder lyckades de finna en modell som stämde med all kända fakta. Den hade en spiralstruktur med 2 nanometers tjocklek och en höjd av cirka 3,4 nanometer per varv omfattande cirka 10 baspar. De skyndade sig att publicera sina idéer innan Franklin själv hade offentliggjort några av sina resultat.

Det har efteråt blivit en kontroversiell fråga hur mycket Watson och Crick varit beroende av Franklins data för att komma fram till sin modell, och många har anklagat dem för att inte ge henne tillräckligt erkännande av hennes betydelse i upptäckten av DNA-molekylens struktur. Mest omdebatterat är det faktum att Wilkins tydligen visat Franklins bilder för Watson och Crick när Franklin inte själv var närvarande. Wilkins, Watson och Crick fick nobelpriset i medicin 1962 för sina upptäckter. Vid denna tidpunkt hade Franklin avlidit.

Watsons och Cricks modell väckte stor uppmärksamhet när den publicerats. Efter att ha kommit fram till sin modell 21 februari 1953, gjorde de sina första uttalanden den 28 februari. Den 25 april publicerades deras artikel ”A structure for Deoxiribose Nucleic Acid”. Forskningen om genetikens och molekylärbiologins grundvalar tog sedan fart. I en förläsning 1957 redogjorde Crick för sina idéer om kopplingen mellan DNA, RNA och proteiner: ”DNA ger RNA ger protein”, något som har kommit att kallas molekylärbiologins ”centrala dogm”. Crick och hans medarbetare fortsatte sedan under slutet av 1950-talet med arbetet med att knäcka den genetiska koden.

DNA-information används idag närmast rutinmässigt inom biologisk forskning. DNA-regionen av intresse massdupliceras först med hjälp av PCR-teknik; därpå sekvenseras den. Den erhållna DNA-sekvensen (oftast en gen) kan därefter användas för att jämföra sekvensen med motsvarande sekvens hos andra arter (eller andra individer av samma art) för att fastställa exempelvis ursprung, sjukdomstillstånd eller arttillhörighet.

[redigera] Källor

• J.D. Watson, F.H.C. Crick. 1953. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171: 737-738.
• K.B. Mullis, F.A. Faloona. 1987. Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction. Methods in Enzymology 155: 335-350.
• F. Sanger, S. Nicklen, A.R. Coulson. 1977. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 74: 5463-5467.
• B. Alberts et al. 2002. Molecular Biology of the Cell. ISBN 9780815340720