Vad är DNA? Deoxyribonukleinsyra, struktur, funktion och ärftlighet

DNA har formen av en dubbelspiral, vilket är som en stege som är vridet till en spiral. Varje steg på stegen är ett par nukleotider.

Nukleotider

En nukleotid är en molekyl som består av:

• deoxyribose, ett socker med 5 kolatomer,
• en fosfatgrupp bestående av fosfor och syre, och
• kvävebaserad bas

DNA består av fyra typer av nukleotider:

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

DNA-stegets "steg" består av två baser, en bas från varje steg. Baserna är sammankopplade i mitten: "A" parar sig bara med "T" och "C" parar sig bara med "G". Baserna hålls ihop av vätebindningar.

Adenin (A) och tymin (T) kan paras ihop eftersom de bildar två vätebindningar, och cytosin (C) och guanin (G) paras ihop och bildar tre vätebindningar. Även om baserna alltid står i fasta par kan paren komma i vilken ordning som helst (A-T eller T-A; på samma sätt C-G eller G-C). På så sätt kan DNA skriva "koder" av de "bokstäver" som baserna utgör. Dessa koder innehåller det meddelande som talar om för cellen vad den ska göra.

Kromatin

På kromosomerna är DNA bundet till proteiner som kallas histoner för att bilda kromatin. Denna förening deltar i epigenetik och genreglering. Gener slås på och av under utveckling och cellaktivitet, och denna reglering ligger till grund för det mesta av den aktivitet som sker i cellerna.

När DNA kopieras kallas detta för DNA-replikation. I korthet bryts de vätebindningar som håller ihop parade baser och molekylen delas på mitten: stegens ben skiljs åt. Detta ger två enskilda strängar. Nya strängar bildas genom att baserna matchas (A med T och G med C) för att bilda de saknade strängarna.

Först delar ett enzym som kallas DNA-helicas DNA:t på mitten genom att bryta vätebindningarna. När DNA-molekylen sedan är i två separata delar tillverkar en annan molekyl som kallas DNA-polymeras en ny sträng som matchar var och en av strängarna i den delade DNA-molekylen. Varje kopia av en DNA-molekyl består till hälften av den ursprungliga (start)molekylen och till hälften av nya baser.

Mutationer

När DNA kopieras kan det ibland uppstå misstag - dessa kallas mutationer. Det finns fyra huvudtyper av mutationer:

• Deletion, där en eller flera baser utelämnas.
• Substitution, där en eller flera baser byts ut mot en annan bas i sekvensen.
• Insättning, där en eller flera extra baser sätts in.
• Duplikation, där en sekvens av baspar upprepas.

Mutationer kan också klassificeras efter deras effekt på proteinernas struktur och funktion eller deras effekt på konditionen. Mutationer kan vara dåliga för organismen, neutrala eller fördelaktiga. Ibland är mutationer ödesdigra för organismen - det protein som tillverkas av det nya DNA:t fungerar inte alls, vilket leder till att embryot dör. Å andra sidan drivs evolutionen framåt av mutationer, när den nya versionen av proteinet fungerar bättre för organismen.

En del av DNA som innehåller instruktioner för att skapa ett protein kallas för en gen. Varje gen har sekvensen för minst en polypeptid. Proteiner bildar strukturer och även enzymer. Enzymerna utför det mesta av arbetet i cellerna. Proteiner består av mindre polypeptider, som bildas av aminosyror. För att göra ett protein som ska utföra ett visst arbete måste rätt aminosyror fogas samman i rätt ordning.

Proteiner tillverkas av små maskiner i cellen som kallas ribosomer. Ribosomerna finns i cellens huvuddel, men DNA finns bara i cellkärnan. Kodonet är en del av DNA, men DNA lämnar aldrig kärnan. Eftersom DNA inte kan lämna cellkärnan gör cellkärnan en kopia av DNA-sekvensen i RNA. Detta är mindre och kan ta sig igenom hålen - porerna - i kärnans membran och ut i cellen.

Gener som kodas i DNA transkriberas till budbärar-RNA (mRNA) av proteiner som RNA-polymeras. Det mogna mRNA:t används sedan som mall för proteinsyntes av ribosomen. Ribosomerna läser kodoner, "ord" bestående av tre baspar som talar om för ribosomen vilken aminosyra den ska lägga till. Ribosomen skannar längs ett mRNA och läser koden medan den tillverkar protein. Ett annat RNA som kallas tRNA hjälper till att matcha rätt aminosyra till varje kodon.

DNA isolerades (extraherades från celler) för första gången av den schweiziske läkaren Friedrich Miescher 1869, när han arbetade med bakterier från pus i kirurgiska bandage. Molekylen hittades i cellkärnan och han kallade den därför för nuklein.

År 1928 upptäckte Frederick Griffith att egenskaper hos den "släta" formen av Pneumococcus kunde överföras till den "grova" formen av samma bakterie genom att blanda dödade "släta" bakterier med den levande "grova" formen. Detta system gav den första tydliga antydan om att DNA bär på genetisk information.

Avery-MacLeod-McCarty-experimentet identifierade DNA som den transformerande principen 1943.

DNA:s roll i arvsmassan bekräftades 1952 när Alfred Hershey och Martha Chase i Hershey-Chase-experimentet visade att DNA är det genetiska materialet i bakteriofagen T2.

På 1950-talet upptäckte Erwin Chargaff att mängden tymin (T) i en DNA-molekyl var ungefär lika stor som mängden adenin (A). Han fann att samma sak gäller för guanin (G) och cytosin (C). Chargaffs regler sammanfattar detta resultat.

År 1953 föreslog James D. Watson och Francis Crick i tidskriften Nature vad som nu anses vara den första korrekta dubbelhelixmodellen av DNA:s struktur. Deras molekylära modell av DNA med dubbel spiral baserades på en enda röntgendiffraktionsbild, "Photo 51", som togs av Rosalind Franklin och Raymond Gosling i maj 1952.

Experimentella bevis som stöder Watson och Cricks modell publicerades i en serie av fem artiklar i samma nummer av Nature. Av dessa var Franklins och Goslings artikel den första publiceringen av deras egna röntgendiffraktionsdata och ursprungliga analysmetod som delvis stödde Watsons och Cricks modell; detta nummer innehöll också en artikel om DNA-struktur av Maurice Wilkins och två av hans kollegor, vars analys och in vivo B-DNA-röntgenmönster också stödde förekomsten in vivo av de dubbelhelikala DNA-konfigurationer som Crick och Watson föreslagit för sin molekylära modell av DNA med dubbelhelix på de två föregående sidorna av Nature. 1962, efter Franklins död, fick Watson, Crick och Wilkins tillsammans Nobelpriset i fysiologi eller medicin. Nobelpriset delas endast ut till levande mottagare. En debatt fortsätter om vem som ska få äran för upptäckten.

År 1957 förklarade Crick förhållandet mellan DNA, RNA och proteiner i molekylärbiologins centrala dogm.

Hur DNA kopierades (replikationsmekanismen) kom fram 1958 genom Meselson-Stahl-experimentet. Crick och medarbetare visade att den genetiska koden bygger på icke överlappande tripletter av baser, så kallade kodoner. Dessa upptäckter utgör molekylärbiologins födelse.

Hur Watson och Crick fick Franklins resultat har diskuterats mycket. Crick, Watson och Maurice Wilkins fick Nobelpriset 1962 för sitt arbete med DNA - Rosalind Franklin hade dött 1958.

DNA skadas ofta i cellerna, vilket är ett problem eftersom DNA ger instruktioner för att skapa proteiner. Men cellerna har sätt att lösa dessa problem för det mesta. Celler använder sig av speciella enzymer. Olika enzymer åtgärdar olika typer av skador på DNA. Problemet kommer i olika typer:

• Ett vanligt fel är basmissmatchning eller att baserna inte är korrekt matchade. Detta är när till exempel adenin inte matchas med tymin eller guanin inte matchas med cytosin. När en cell kopierar sitt eget DNA matchar ett särskilt enzym som kallas polymeras baserna med varandra. Men då och då uppstår ett fel. Vanligtvis märker enzymet det och åtgärdar det, men för att vara säker kontrollerar en annan uppsättning proteiner vad enzymet har gjort. Om proteinerna hittar en bas som inte matchades med rätt bas tar de bort den och ersätter den med en nukleotid med rätt bas.
• DNA kan också brytas kemiskt av vissa föreningar. Det kan handla om giftiga föreningar som de som finns i tobak eller föreningar som cellen möter varje dag som väteperoxid. Vissa kemiska skador orsakade av föreningar sker så ofta att det finns ett särskilt enzym för att åtgärda dessa typer av problem.
• När en bas skadas repareras den vanligtvis i en process som kallas basexcisionsreparation. Här tar ett enzym bort basen och en annan grupp enzymer trimmar runt skadan och ersätter den med en ny nukleotid.
• UV-ljus skadar DNA på ett sådant sätt att det ändrar sin form. För att åtgärda den här typen av skador krävs en mer komplicerad process som kallas nukleotid-excisionsreparation. Här tar ett team av proteiner bort en lång sträng med 20 eller fler trasiga nukleotider och ersätter dem med nya.
• Högenergivågor som röntgen- och gammastrålar kan faktiskt skära av en eller båda DNA-strängarna. Denna typ av skada kallas dubbelsträngsbrott. Ett dubbelsträngbrott kan leda till att cellen dör. Två vanliga sätt för cellen att åtgärda problemet är homolog rekombination och icke homolog ändförbindelse. Vid homolog rekombination använder enzymerna en liknande del av en annan gen som mall för att reparera brottet. Vid icke-homologisk ändfogning trimmar enzymerna runt det ställe där DNA-strängen gick sönder och sätter ihop dem. Detta sätt är mycket mindre exakt men fungerar när det inte finns några liknande gener tillgängliga.

Polisen i USA använde offentliga databaser med DNA och släktträd för att lösa kalla fall. American Civil Liberties Union uttryckte oro över denna praxis.

• Bioinformatik
• Celldelning
• Mitos
• Meiosis
• Reparation av DNA
• Kromosom
• Analys av sekvenser
• Epigenetik
• Junk-DNA