Biologi for ikke-studerende I

Hvad du vil lære at gøre: Forklar, hvordan DNA lagrer genetisk information

Den unikke struktur af DNA er nøglen til dets evne til at lagre og replikere genetisk information:

Figur 1

I dette resultat vil du lære at beskrive DNA’s dobbelthelixstruktur: dets sukker-fosfat-rygstige stige med nitrogenholdige base-“trin” af stigen.

DNA’s struktur

DNA’s byggesten er nukleotider. De vigtige komponenter i hver nukleotid er en nitrogenbase, desoxyribose (5-kulstofsukker) og en fosfatgruppe (se figur 2). Hvert nukleotid er navngivet afhængigt af dets nitrogenbase. Nitrogenbasen kan være en purinbase, f.eks. adenin (A) og guanin (G), eller en pyrimidinbase, f.eks. cytosin (C) og thymin (T). Uracil (U) er også et pyrimidin (som det fremgår af figur 2), men det forekommer kun i RNA, som vi skal tale mere om senere.

Figur 2. Hvert nukleotid består af et sukkerstof, en fosfatgruppe og en nitrogenbase. Sukkeret er deoxyribose i DNA og ribose i RNA.

Nukleotiderne kombineres med hinanden ved hjælp af kovalente bindinger, der kaldes fosfodiesterbindinger eller bindinger. Phosphatresterne er knyttet til hydroxylgruppen på 5′-kulstoffet i det ene sukkerstof i det ene nukleotid og hydroxylgruppen på 3′-kulstoffet i sukkerstoffet i det næste nukleotid, hvorved der dannes en 5′-3′-fosfodiesterbinding.

I 1950’erne arbejdede Francis Crick og James Watson sammen om at bestemme DNA’s struktur på universitetet i Cambridge, England. Andre forskere som Linus Pauling og Maurice Wilkins udforskede også aktivt dette område. Pauling havde opdaget sekundærstrukturen af proteiner ved hjælp af røntgenkrystallografi. I Wilkins’ laboratorium brugte forskeren Rosalind Franklin røntgendiffraktionsmetoder til at forstå DNA’s struktur. Watson og Crick var i stand til at samle DNA-molekylets puslespil på grundlag af Franklins data, fordi Crick også havde studeret røntgendiffraktion (figur 3). I 1962 blev James Watson, Francis Crick og Maurice Wilkins tildelt Nobelprisen i medicin. Desværre var Franklin på det tidspunkt død, og Nobelpriser uddeles ikke posthumt.

Figur 3. Pionerforskerne (a) James Watson, Francis Crick og Maclyn McCartys arbejde førte til vores nuværende forståelse af DNA. Forskeren Rosalind Franklin opdagede b) DNA’s røntgendiffraktionsmønster, hvilket bidrog til at klarlægge dets dobbeltspiralstruktur. (credit a: modifikation af Marjorie McCartys arbejde, Public Library of Science)

Watson og Crick foreslog, at DNA består af to strenge, der er snoet rundt om hinanden og danner en højrehåndet helix. Baseparring finder sted mellem et purin og et pyrimidin; nemlig A parrer sig med T og G parrer sig med C. Adenin og thymin er komplementære basepar, og cytosin og guanin er også komplementære basepar. Baseparrene stabiliseres af hydrogenbindinger; adenin og thymin danner to hydrogenbindinger, og cytosin og guanin danner tre hydrogenbindinger. De to strenge er antiparallelle af natur, dvs. at 3′-enden af den ene streng vender mod 5′-enden af den anden streng. Nukleotidernes sukker og fosfat udgør strukturens rygrad, mens de nitrogenholdige baser er stablet indeni. Hvert basepar er adskilt fra det andet basepar med en afstand på 0,34 nm, og hver omgang af helixen måler 3,4 nm. Der er derfor ti basepar pr. omgang af helixen. Diameteren af DNA-dobbeltspiralen er 2 nm, og den er ensartet i hele spiralen. Kun pardannelsen mellem et purin og et pyrimidin kan forklare den ensartede diameter. Vridningen af de to strenge rundt om hinanden resulterer i dannelsen af jævnt fordelt store og små riller (figur 4).

Figur 4. DNA har (a) en dobbeltspiralstruktur og (b) fosfodiesterbindinger. De (c) store og små riller er bindingssteder for DNA-bindingsproteiner under processer som f.eks. transkription (kopiering af RNA fra DNA) og replikation.

Genetisk information

Den genetiske information i en organisme er gemt i DNA-molekyler. Hvordan kan ét slags molekyle indeholde alle instruktionerne til at skabe komplicerede levende væsener som os selv? Hvilken komponent eller egenskab i DNA kan indeholde disse oplysninger? Den må komme fra nitrogenbaserne, for som du allerede ved, er rygraden i alle DNA-molekyler den samme. Men der findes kun fire baser i DNA: G, A, C og T. Sekvensen af disse fire baser kan give alle de instruktioner, der er nødvendige for at opbygge enhver levende organisme. Det kan være svært at forestille sig, at 4 forskellige “bogstaver” kan kommunikere så mange oplysninger. Men tænk på det engelske sprog, som kan repræsentere en enorm mængde information ved hjælp af blot 26 bogstaver. Endnu mere dybtgående er den binære kode, der bruges til at skrive computerprogrammer. Denne kode indeholder kun enere og nuller, og tænk på alle de ting, som din computer kan gøre. DNA-alfabetet kan kode meget komplekse instruktioner ved hjælp af blot fire bogstaver, selv om beskederne ender med at blive meget lange. E. coli-bakterien bærer f.eks. sine genetiske instruktioner i et DNA-molekyle, der indeholder mere end fem millioner nukleotider. Det menneskelige genom (hele DNA’et i en organisme) består af ca. tre milliarder nukleotider fordelt på 23 parvise DNA-molekyler eller kromosomer.

Den information, der er gemt i basernes rækkefølge, er organiseret i gener: hvert gen indeholder information til fremstilling af et funktionelt produkt. Den genetiske information kopieres først til en anden nukleinsyrepolymer, RNA (ribonukleinsyre), idet rækkefølgen af nukleotidbaser bevares. Gener, der indeholder instruktioner til fremstilling af proteiner, omdannes til messenger RNA (mRNA). Nogle specialiserede gener indeholder instruktioner til fremstilling af funktionelle RNA-molekyler, som ikke danner proteiner. Disse RNA-molekyler fungerer ved at påvirke cellulære processer direkte; f.eks. regulerer nogle af disse RNA-molekyler ekspressionen af mRNA. Andre gener producerer RNA-molekyler, der er nødvendige for proteinsyntese, transfer-RNA (tRNA) og ribosomalt RNA (rRNA).

For at DNA kan fungere effektivt til at lagre information, er der behov for to nøgleprocesser. For det første skal de oplysninger, der er lagret i DNA-molekylet, kopieres med minimale fejl, hver gang en celle deler sig. Dette sikrer, at begge datterceller arver det komplette sæt af genetiske oplysninger fra modercellen. For det andet skal den information, der er lagret i DNA-molekylet, oversættes eller udtrykkes. For at den lagrede information kan være nyttig, skal cellerne kunne få adgang til instruktionerne til fremstilling af specifikke proteiner, så de rigtige proteiner fremstilles på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt.

Figur 5. DNA’s dobbeltspiral. Grafik modificeret fra “DNA chemical structure,” af Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Både kopiering og læsning af den information, der er lagret i DNA, er afhængig af baseparring mellem to nukleinsyrepolymerstrenge. Husk, at DNA’s struktur er en dobbeltspiral (se figur 5).

Sukkeret deoxyribose med fosfatgruppen udgør molekylets stillads eller rygrad (fremhævet med gul farve i figur 5). Baserne peger indad. Komplementære baser danner hydrogenbindinger med hinanden inden for dobbeltspiralen. Se, hvordan de større baser (puriner) danner par med de mindre baser (pyrimidiner). Dette holder bredden af dobbeltspiralen konstant. Mere specifikt danner A par med T og C par med G. Når vi diskuterer DNA’s funktion i de efterfølgende afsnit, skal du huske på, at der er en kemisk årsag til specifikke pardannelser af baser.

For at illustrere sammenhængen mellem information i DNA og en observerbar egenskab ved en organisme, skal vi se på et gen, der giver instruktionerne til at danne hormonet insulin. Insulin er ansvarlig for at regulere blodsukkerniveauet. Insulin-genet indeholder instruktioner til at samle proteinet insulin ud fra individuelle aminosyrer. Hvis man ændrer sekvensen af nukleotider i DNA-molekylet, kan man ændre aminosyrerne i det endelige protein, hvilket kan føre til fejlfunktion i proteinet. Hvis insulin ikke fungerer korrekt, kan det være ude af stand til at binde sig til et andet protein (insulinreceptor). På organismens organisationsniveau kan denne molekylære begivenhed (ændring af DNA-sekvensen) føre til en sygdomstilstand – i dette tilfælde diabetes.

Hvor i DNA’et er information lagret?

1. DNA’ets form
2. Sukker-fosfat-ryggen
3. Sekvensen af baser
4. Forekomsten af to strenge.

Hvilket udsagn er korrekt?

1. Følgefølgen af DNA-baser er arrangeret i kromosomer, hvoraf de fleste indeholder instruktionerne til opbygning af en aminosyre.
2. Følgefølgen af DNA-strenge er arrangeret i kromosomer, hvoraf de fleste indeholder instruktionerne til opbygning af et protein.
3. Følgefølgen af DNA-baser er arrangeret i gener, hvoraf de fleste indeholder instruktionerne til at opbygge et protein.
4. Følgefølgen af DNA-fosfater er arrangeret i gener, hvoraf de fleste indeholder instruktionerne til at opbygge en celle.

Tjek din forståelse

Svar på spørgsmålet/spørgsmålene nedenfor for at se, hvor godt du forstår de emner, der blev behandlet i det foregående afsnit. Denne korte quiz tæller ikke med i din karakter i klassen, og du kan tage den igen et ubegrænset antal gange.

Brug denne quiz til at kontrollere din forståelse og beslutte, om du (1) skal studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.