Biologi för icke-universitetsstudenter I

Vad du kommer att lära dig att göra: Förklara hur DNA lagrar genetisk information

Den unika strukturen hos DNA är nyckeln till dess förmåga att lagra och replikera genetisk information:

Figur 1

I det här resultatet kommer du att lära dig att beskriva DNA:s dubbelspiralstruktur: dess stege med sockerfosfatryggrad och stegens ”stegstigar” av kvävebaser.

DNA:s struktur

DNA:s byggstenar är nukleotider. De viktiga komponenterna i varje nukleotid är en kvävebas, desoxyribose (socker med fem kol) och en fosfatgrupp (se figur 2). Varje nukleotid benämns beroende på dess kvävebas. Kvävebasen kan vara ett purin, t.ex. adenin (A) och guanin (G), eller ett pyrimidin, t.ex. cytosin (C) och tymin (T). Uracil (U) är också en pyrimidin (se figur 2), men den förekommer endast i RNA, vilket vi kommer att tala mer om senare.

Figur 2. Varje nukleotid består av ett socker, en fosfatgrupp och en kvävebas. Sockret är deoxyribose i DNA och ribose i RNA.

Nukleotiderna förenas med varandra genom kovalenta bindningar, så kallade fosfodiesterbindningar eller kopplingar. Fosfatresterna är knutna till hydroxylgruppen på 5′-kolvätet i ett socker i en nukleotid och hydroxylgruppen på 3′-kolvätet i sockret i nästa nukleotid, och bildar på så sätt en 5′-3′-fosfodiesterbindning.

På 1950-talet arbetade Francis Crick och James Watson tillsammans för att bestämma DNA:s struktur vid universitetet i Cambridge, England. Andra forskare som Linus Pauling och Maurice Wilkins utforskade också aktivt detta område. Pauling hade upptäckt sekundärstrukturen hos proteiner med hjälp av röntgenkristallografi. I Wilkins labb använde forskaren Rosalind Franklin röntgendiffraktionsmetoder för att förstå DNA:s struktur. Watson och Crick kunde lägga pusslet om DNA-molekylen på grundval av Franklins uppgifter eftersom Crick också hade studerat röntgendiffraktion (figur 3). År 1962 tilldelades James Watson, Francis Crick och Maurice Wilkins Nobelpriset i medicin. Tyvärr hade Franklin då avlidit, och Nobelpris delas inte ut postumt.

Figur 3. Pionjärforskarna a) James Watson, Francis Crick och Maclyn McCartys arbete ledde till vår nuvarande förståelse av DNA. Forskaren Rosalind Franklin upptäckte b) röntgendiffraktionsmönstret för DNA, vilket bidrog till att klarlägga dess dubbelhelixstruktur. (kredit a: modifiering av arbete av Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson och Crick föreslog att DNA består av två strängar som är vridna runt varandra för att bilda en högerhänt helix. Basparning sker mellan ett purin och ett pyrimidin; nämligen A parar sig med T och G parar sig med C. Adenin och tymin är komplementära baspar, och cytosin och guanin är också komplementära baspar. Basparen stabiliseras av vätebindningar; adenin och tymin bildar två vätebindningar och cytosin och guanin bildar tre vätebindningar. De två strängarna är antiparallella till sin natur, det vill säga 3′-änden av den ena strängen är vänd mot 5′-änden av den andra strängen. Sockret och fosfatet i nukleotiderna utgör strukturens ryggrad, medan kvävebaserna är staplade inuti. Varje baspar är separerat från det andra basparet med ett avstånd på 0,34 nm, och varje varv i spiralen mäter 3,4 nm. Därför finns det tio baspar per helixvarv. Diametern på DNA:s dubbelspiral är 2 nm, och den är enhetlig överallt. Endast parningen mellan ett purin och ett pyrimidin kan förklara den enhetliga diametern. Vridningen av de två strängarna runt varandra resulterar i att det bildas jämnt fördelade större och mindre spår (figur 4).

Figur 4. DNA har (a) en dubbelhelixstruktur och (b) fosfodiesterbindningar. De (c) stora och små spåren är bindningsställen för DNA-bindande proteiner under processer som transkription (kopiering av RNA från DNA) och replikation.

Genisk information

Den genetiska informationen i en organism lagras i DNA-molekyler. Hur kan en sorts molekyl innehålla alla instruktioner för att skapa komplicerade levande varelser som oss själva? Vilken komponent eller egenskap i DNA kan innehålla denna information? Den måste komma från kvävebaserna, eftersom, som du redan vet, ryggraden i alla DNA-molekyler är densamma. Men det finns bara fyra baser i DNA: G, A, C och T. Sekvensen av dessa fyra baser kan ge alla instruktioner som behövs för att bygga en levande organism. Det kan vara svårt att föreställa sig att fyra olika ”bokstäver” kan förmedla så mycket information. Men tänk på det engelska språket, som kan representera en enorm mängd information med hjälp av bara 26 bokstäver. Ännu mer djupgående är den binära kod som används för att skriva datorprogram. Denna kod innehåller endast ettor och nollor, och tänk på allt som din dator kan göra. DNA-alfabetet kan koda mycket komplexa instruktioner med hjälp av bara fyra bokstäver, även om meddelandena till slut blir väldigt långa. E. coli-bakterien till exempel bär sina genetiska instruktioner i en DNA-molekyl som innehåller mer än fem miljoner nukleotider. Den mänskliga arvsmassan (allt DNA i en organism) består av cirka tre miljarder nukleotider fördelade på 23 parade DNA-molekyler, eller kromosomer.

Den information som lagras i basernas ordning är organiserad i gener: varje gen innehåller information för att tillverka en funktionell produkt. Den genetiska informationen kopieras först till en annan nukleinsyrepolymer, RNA (ribonukleinsyra), varvid nukleotidbasernas ordning bevaras. Gener som innehåller instruktioner för att tillverka proteiner omvandlas till budbärar-RNA (mRNA). Vissa specialiserade gener innehåller instruktioner för att göra funktionella RNA-molekyler som inte gör proteiner. Dessa RNA-molekyler fungerar genom att påverka cellulära processer direkt; vissa av dessa RNA-molekyler reglerar till exempel uttrycket av mRNA. Andra gener producerar RNA-molekyler som krävs för proteinsyntesen, transfer-RNA (tRNA) och ribosomalt RNA (rRNA).

För att DNA ska fungera effektivt för att lagra information krävs två nyckelprocesser. För det första måste den information som lagras i DNA-molekylen kopieras, med minimala fel, varje gång en cell delas. Detta säkerställer att båda dottercellerna ärver den fullständiga uppsättningen genetisk information från föräldracellen. För det andra måste den information som lagras i DNA-molekylen översättas, eller uttryckas. För att den lagrade informationen ska vara användbar måste cellerna kunna få tillgång till instruktionerna för att tillverka specifika proteiner, så att rätt proteiner tillverkas på rätt plats vid rätt tidpunkt.

Figur 5. DNA:s dubbelspiral. Grafiken är modifierad från ”DNA chemical structure” av Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Både kopiering och läsning av den information som finns lagrad i DNA är beroende av basparning mellan två nukleinsyrepolymersträngar. Kom ihåg att DNA:s struktur är en dubbelspiral (se figur 5).

Sockret deoxyribose med fosfatgruppen utgör molekylens stomme eller ryggrad (gulmarkerad i figur 5). Baserna pekar inåt. Komplementära baser bildar vätebindningar med varandra inom dubbelhelixen. Se hur de större baserna (puriner) bildar par med de mindre baserna (pyrimidiner). Detta håller dubbelspiralens bredd konstant. Närmare bestämt parar sig A med T och C med G. När vi diskuterar DNA:s funktion i de följande avsnitten ska du komma ihåg att det finns en kemisk anledning till att baserna parar sig på ett visst sätt.

För att illustrera sambandet mellan information i DNA och en observerbar egenskap hos en organism, låt oss betrakta en gen som ger instruktionerna för att bygga hormonet insulin. Insulin är ansvarigt för att reglera blodsockernivåerna. Insulingenen innehåller instruktioner för att sätta ihop proteinet insulin från enskilda aminosyror. Om man ändrar sekvensen av nukleotider i DNA-molekylen kan man ändra aminosyrorna i det slutliga proteinet, vilket leder till att proteinet inte fungerar som det ska. Om insulinet inte fungerar korrekt kan det vara oförmöget att binda till ett annat protein (insulinreceptor). På organismens organisationsnivå kan denna molekylära händelse (förändring av DNA-sekvensen) leda till ett sjukdomstillstånd – i det här fallet diabetes.

Var i DNA:t lagras informationen?

1. DNA:s form
2. Sockerfosfatryggen
3. Basernas sekvens
4. Närvaron av två strängar.

Vilket påstående stämmer?

1. DNA-basernas sekvens arrangeras i kromosomer, varav de flesta innehåller instruktionerna för att bygga upp en aminosyra.
2. DNA-strängarnas sekvens arrangeras i kromosomer, varav de flesta innehåller instruktionerna för att bygga ett protein.
3. Följden av DNA-baser är ordnad i gener, varav de flesta innehåller instruktionerna för att bygga ett protein.
4. Följden av DNA-fosfater är ordnad i gener, varav de flesta innehåller instruktionerna för att bygga en cell.

Kontrollera din förståelse

Svara på frågan/frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlades i föregående avsnitt. Den här korta frågesporten räknas inte in i ditt betyg och du kan göra om den ett obegränsat antal gånger.

Använd den här frågesporten för att kontrollera din förståelse och besluta om du ska (1) studera det föregående avsnittet ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.