DNA — Deoxyribonukleinsyre: Genetisk kode, struktur og funktion

DNA har en dobbeltspiralform, der ligner en stige, der er snoet i en spiral. Hvert trin på stigen er et par nukleotider.

Nukleotider

Et nukleotid er et molekyle, der består af:

• deoxyribose, en slags sukker med 5 kulstofatomer,
• en fosfatgruppe bestående af fosfor og oxygen, og
• nitrogenholdig base

DNA består af fire typer nukleotider:

• Adenin (A)
• Thymin (T)
• Cytosin (C)
• Guanin (G)

DNA-stigens "trin" består hver af to baser, en base fra hvert ben. Baserne forbindes i midten: "A" danner kun par med "T", og "C" danner kun par med "G". Baserne holdes sammen af hydrogenbindinger.

Adenin (A) og thymin (T) kan danne par, fordi de danner to hydrogenbindinger, og cytosin (C) og guanin (G) danner par, så de danner tre hydrogenbindinger. Selv om baserne altid er i faste par, kan parrene komme i en hvilken som helst rækkefølge (A-T eller T-A; på samme måde C-G eller G-C). På denne måde kan DNA skrive "koder" ud fra de "bogstaver", som baserne er. Disse koder indeholder den besked, der fortæller cellen, hvad den skal gøre.

Kromatin

På kromosomer er DNA'et bundet sammen med proteiner kaldet histoner for at danne kromatin. Denne forbindelse spiller en rolle i epigenetik og genregulering. Generne tændes og slukkes under udvikling og celleaktivitet, og denne regulering er grundlaget for det meste af den aktivitet, der finder sted i cellerne.

Når DNA kopieres, kaldes det DNA-replikation. Kort fortalt brydes de hydrogenbindinger, der holder parvise baser sammen, og molekylet deles i to dele: stigenes ben skilles ad. Dette giver to enkeltstrenge. Der dannes nye strenge ved at matche baserne (A med T og G med C) for at danne de manglende strenge.

Først deler et enzym kaldet DNA-helicase DNA'et på midten ved at bryde hydrogenbindingerne. Når DNA-molekylet så er delt i to separate stykker, laver et andet molekyle kaldet DNA-polymerase en ny streng, der passer til hver af strengene i det delte DNA-molekyle. Hver kopi af et DNA-molekyle består af halvdelen af det oprindelige molekyle (startmolekyle) og halvdelen af nye baser.

Mutationer

Når DNA kopieres, sker der nogle gange fejl - disse kaldes mutationer. Der findes fire hovedtyper af mutationer:

• Deletion, hvor en eller flere baser udelades.
• Substitution, hvor en eller flere baser erstattes af en anden base i sekvensen.
• Indsættelse, hvor der indsættes en eller flere ekstra baser.
• Duplikation, hvor en sekvens af baser parvis gentages.

Mutationer kan også klassificeres efter deres virkning på proteiners struktur og funktion eller deres virkning på fitness. Mutationer kan være skadelige for organismen, neutrale eller gavnlige. Nogle gange er mutationer dødelige for organismen - det protein, der er fremstillet af det nye DNA, fungerer slet ikke, og det medfører, at embryoet dør. På den anden side drives udviklingen fremad af mutationer, når den nye version af proteinet fungerer bedre for organismen.

Et stykke DNA, der indeholder instruktioner til fremstilling af et protein, kaldes et gen. Hvert gen indeholder sekvensen til mindst ét polypeptid. Proteiner danner strukturer og danner også enzymer. Enzymerne udfører det meste af arbejdet i cellerne. Proteiner er lavet af mindre polypeptider, som er dannet af aminosyrer. For at lave et protein, der skal udføre et bestemt arbejde, skal de rigtige aminosyrer være forbundet i den rigtige rækkefølge.

Proteiner fremstilles af små maskiner i cellen, som kaldes ribosomer. Ribosomerne befinder sig i cellens hoveddel, men DNA findes kun i cellens kerne. Kodonet er en del af DNA'et, men DNA'et forlader aldrig kernen. Fordi DNA ikke kan forlade kernen, laver cellekernen en kopi af DNA-sekvensen i RNA. Denne er mindre og kan komme gennem hullerne - porerne - i kerneens membran og ud i cellen.

Gener, der er kodet i DNA, transskriberes til messenger RNA (mRNA) af proteiner som RNA-polymerase. Modent mRNA bruges derefter som skabelon til proteinsyntese af ribosomet. Ribosomer læser kodoner, "ord" bestående af tre basepar, der fortæller ribosomet, hvilken aminosyre det skal tilføje. Ribosomet scanner langs et mRNA og læser koden, mens det laver protein. Et andet RNA kaldet tRNA hjælper med at matche den rigtige aminosyre med hvert kodon.

DNA blev første gang isoleret (ekstraheret fra celler) af den schweiziske læge Friedrich Miescher i 1869, da han arbejdede på bakterier fra pus i kirurgiske bandager. Molekylet blev fundet i cellernes kerne, og han kaldte det derfor for nuclein.

I 1928 opdagede Frederick Griffith, at træk fra den "glatte" form af Pneumococcus kunne overføres til den "grove" form af samme bakterie ved at blande dræbte "glatte" bakterier med den levende "grove" form. Dette system gav den første klare antydning af, at DNA bærer genetisk information.

Avery-MacLeod-McCarty-eksperimentet identificerede DNA som det transformerende princip i 1943.

DNA's rolle i arvelighed blev bekræftet i 1952, da Alfred Hershey og Martha Chase i Hershey-Chase-eksperimentet viste, at DNA er det genetiske materiale i T2-bakteriofagen.

I 1950'erne fandt Erwin Chargaff ud af, at mængden af thymin (T) i et DNA-molekyle var omtrent lige så stor som mængden af adenin (A) i DNA-molekylet. Han fandt ud af, at det samme gælder for guanin (G) og cytosin (C). Chargaffs regler opsummerer dette resultat.

I 1953 foreslog James D. Watson og Francis Crick i tidsskriftet Nature det, der nu er accepteret som den første korrekte dobbelt-helix-model af DNA-strukturen. Deres molekylære model af DNA's dobbelthelix var dengang baseret på et enkelt røntgendiffraktionsbillede "Photo 51", der blev taget af Rosalind Franklin og Raymond Gosling i maj 1952.

Eksperimentelle beviser til støtte for Watson og Cricks model blev offentliggjort i en serie af fem artikler i samme nummer af Nature. Af disse artikler var Franklin og Goslings artikel den første offentliggørelse af deres egne røntgendiffraktionsdata og originale analysemetode, som delvist støttede Watson og Crick-modellen; dette nummer indeholdt også en artikel om DNA-struktur af Maurice Wilkins og to af hans kolleger, hvis analyser og in vivo B-DNA-røntgenmønstre også støttede tilstedeværelsen in vivo af de dobbelthelikale DNA-konfigurationer, som Crick og Watson havde foreslået for deres dobbelt-helixmolekylære model af DNA på de to foregående sider af Nature. I 1962, efter Franklins død, modtog Watson, Crick og Wilkins i fællesskab Nobelprisen i fysiologi eller medicin. Nobelpriserne tildeles kun til levende modtagere. Der er fortsat en debat om, hvem der skal have æren for opdagelsen.

I 1957 forklarede Crick forholdet mellem DNA, RNA og proteiner i det centrale dogme for molekylærbiologien.

Hvordan DNA blev kopieret (replikationsmekanismen) kom i 1958 gennem Meselson-Stahl-eksperimentet. Crick og hans medarbejdere viste, at den genetiske kode var baseret på ikke-overlappende tripletter af baser, kaldet kodoner. Disse resultater repræsenterer molekylærbiologiens fødsel.

Hvordan Watson og Crick fik Franklins resultater, er blevet diskuteret meget. Crick, Watson og Maurice Wilkins fik Nobelprisen i 1962 for deres arbejde med DNA - Rosalind Franklin var død i 1958.

DNA bliver ofte beskadiget i cellerne, hvilket er et problem, da DNA indeholder instruktioner til fremstilling af proteiner. Men cellerne har metoder til at løse disse problemer i de fleste tilfælde. Cellerne gør brug af særlige enzymer. Forskellige enzymer reparerer forskellige typer af skader på DNA. Problemet kommer i forskellige typer:

• En almindelig fejl er basefejl, eller hvor baserne ikke er matchet korrekt. Det er, når f.eks. adenin ikke er matchet med thymin eller guanin ikke er matchet med cytosin. Når en celle kopierer sit eget DNA, er det et særligt enzym, der hedder polymerase, der matcher baserne sammen. Men en gang imellem sker der en fejl. Normalt opdager enzymet den og retter den, men for at være helt sikker kontrollerer et andet sæt proteiner, hvad enzymet har gjort. Hvis proteinerne finder en base, der ikke blev matchet med den rigtige base, fjerner de den og erstatter den med et nukleotid med den rigtige base.
• DNA kan også nedbrydes kemisk af visse stoffer. Det kan være giftige forbindelser som dem, der findes i tobak, eller forbindelser, som cellen møder hver dag som f.eks. hydrogenperoxid. Nogle kemiske skader forårsaget af forbindelser sker så ofte, at der findes et særligt enzym til at løse disse typer problemer.
• Når en base bliver beskadiget, repareres den normalt i en proces, der kaldes base excision repair. Her fjerner et enzym basen, og en anden gruppe enzymer trimmer rundt om skaden og erstatter den med et nyt nukleotid.
• UV-lys beskadiger DNA på en sådan måde, at det ændrer sin form. Det kræver en mere kompleks proces at reparere denne type skader, som kaldes nukleotid-excisionsreparation. Her fjerner et hold af proteiner en lang streng med 20 eller flere ødelagte nukleotider og erstatter dem med nye.
• Bølger med høj energi som røntgenstråler og gammastråler kan faktisk skære en eller begge DNA-strenge over. Denne type skade kaldes et dobbeltstrengsbrud. Et enkelt dobbeltstrengsbrud kan medføre, at cellen dør. To almindelige måder, hvorpå cellen løser dette problem, er homolog rekombination og non homologous end joining. Ved homolog rekombination bruger enzymer en lignende del af et andet gen som skabelon til at reparere bruddet. Ved ikke-homolog end joining trimmer enzymer omkring det sted, hvor DNA-strengen gik i stykker, og sætter dem sammen. Denne metode er langt mindre præcis, men fungerer, når der ikke er nogen lignende gener til rådighed.

Politiet i USA har brugt offentlige databaser med DNA- og stamtræer til at opklare gamle sager. Den amerikanske borgerrettighedsorganisation American Civil Liberties Union gav udtryk for bekymring over denne praksis.

• Bioinformatik
• Celledeling
• Mitose
• Meiose
• DNA-reparation
• Kromosom
• Analyse af sekvenser
• Epigenetik
• Junk-DNA