miniatyr|Strukturen av DNA:s dubbelhelix. Atomerna i illustrationen är färgkodade efter respektive atomslag och ryggraden hos de båda strängarna är färgad orange. De olika kvävebasernas struktur visas i detalj längst ner till höger. miniatyr|stående|En roterande illustration av en bit av DNA:s dubbelhelix. DNA (förkortning av engelskans deoxyribonucleic acid) eller deoxiribonukleinsyra är det kemiska ämne som bär den genetiska informationen (även kallad arvsmassa eller genom), i samtliga av världens kända organismer (med undantag av RNA-virus). DNA-molekylen finns i identiska kopior i varje cell i en organism. Dess huvudsakliga funktion är att långtidsförvara information som påverkar organismernas utveckling och funktion. DNA liknas ibland vid programkod eller ett recept, eftersom det innehåller de instruktioner som behövs för att konstruera cellernas komponenter, RNA och proteiner. De delar av DNA-molekylen som ansvarar för tillverkningen av dessa komponenter kallas gener.
Molekylen består av två långa polymerer, i människan cirka 2 meter lång, bestående av sekvens av enkla enheter kallade nukleotider. Det som ofta brukar kallas DNA-molekylens ryggrad utgörs av sockermolekyler och fosfat-grupper sammansatta med esterbindningar. De två polymererna är lindade runt varandra för att bilda en helix. Bundna till respektive sockermolekyl sitter vanligtvis en av de fyra typer av de molekyler som kallas kvävebaser. Det är denna sekvens av olika kvävebaser längs ryggraden som utgör den genetiska koden, vilken bestämmer ordningen av aminosyror i proteiner. Koden läses av genom att översätta delar av DNA:t till nukleinsyran RNA i en process som kallas transkription.
Inom cellen arrangeras DNA i långa strukturer som kallas kromosomer. Dessa kromosomer fördubblas i en process som kallas replikation innan cellerna delar sig. Informationen kan på så vis bevaras i båda de resulterande cellerna. I de celler som bygger upp eukaryota organismer, så som växter, djur, svampar och protister, finns det mesta av DNA:et i en cellkärna. En mindre del återfinns dock ofta i organismernas mitokondrier eller kloroplaster. Prokaryota celler (bakterier och arkéer) förvarar istället sitt DNA i cytoplasman. Inom kromosomerna finns proteiner så som histoner som packar och organiserar kromosomen till kromatin. Dessa kompakta strukturer reglerar interaktionerna mellan DNA och andra proteiner och kontrollerar på så vis bland annat i vilken grad olika delar av kromosomen transkriberas.
Funktion En gen i arvsmassan är en sekvens av nukleotider i en DNA-molekyl i någon av kromosomerna, som översätts till en motsvarande ordningsföljd av aminosyror i ett protein. Denna ordningsföljd avgör vilken form proteinet får och vilken funktion det kan fylla i kroppen. Översättningen från nukleotider i DNA till aminosyror i proteiner sker enligt den genetiska koden. För varje grupp om tre nukleotider i DNA-molekylen läggs vid översättningen en enda aminosyra till i det protein som tar form.Alberts et al. 2008. Molecular biologi of the cell. Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC.
Kemisk struktur vänster|miniatyr|DNA-molekylens schematiska uppbyggnad. Deoxiribos (ljusblått) och fosfat (blålila), är hoplänkat till två kedjor. Kvävebaserna (A,T,G,C) är sammanbundna med vätebindningar.
DNA är en nukleinsyra som är uppbyggd av två långa kedjor av nukleotider. Varje nukleotid kan sägas bestå av tre delar: en molekyl av sockerarten deoxiribos, en fosfatgrupp och en av de fyra kvävebaserna adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). Kvävebasernas ordningsföljd i DNA-molekylen bestämmer uppbyggnaden av kroppens alla proteiner.
DNA-molekylen kan finnas i flera något olika former. Hos vissa virus finns enkelsträngat DNA, ibland förkortat ssDNA (där ss står för ”single strand”) men den vanligaste är den dubbelspiral, så kallad dubbelhelix, av två nukleotidkedjor, som upptäcktes och beskrevs av Francis Crick och James Watson 1953J.D. Watson, F.H.C. Crick. 1953. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171: 737-738.. Tillsammans med Maurice Wilkins mottog de nobelpriset i medicin 1962 för sin upptäckt. Dubbelsträngat DNA förkortas ibland dsDNA (där ds står för ”double strand”).
I denna form som brukar kallas B består DNA-molekylen av två kedjor där nukleotidernas socker- och fosfatdelar 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 hopkopplade 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 värmetåligChalikian T, Völker J, Plum G, Breslauer K (1999). "A more unified picture for the thermodynamics of nucleic acid duplex melting: a characterization by calorimetric and volumetric techniques". Proc Natl Acad Sci USA 96 (14): 7853–8. 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.Chargaff E (1950). "Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation". Experientia 6 (6): 201–209. Två nukleotider ihopkopplade via sina kvävebaser på detta sätt kallas ett baspar. Det går cirka tio baspar per varv i DNA-spiralen. Varje sådant varv har en höjd av cirka 3,4 nanometer, diametern på spiralen är cirka två nanometer.Mandelkern M, Elias J, Eden D, Crothers D (1981). "The dimensions of DNA in solution". J Mol Biol 152 (1): 153–61.
I alla högre organismer finns DNA-molekylerna i kombinationer med proteiner, histoner, i en tätpackad form som kallas kromatin i cellens kromosomer.
Replikation miniatyr|DNA som delar sig och skapar en kopia av sig själv.
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 eukaryot 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. De allra flesta mutationerna repareras av cellerna själva. Cellen har olika system för att upptäcka och reparera sådana felkopieringar, till exempel mismatch repair. Olika former av yttre påverkan som till exempel högenergetisk strålning eller olika kemikalier ökar antalet mutationer.
En mutation i könscellerna som inte repareras, utan sprids genom fortplantningen till nya individer som överlever och i sin tur kan fortplanta sig, förorsakar en alternativ allel, det vill säga en ny variant av gensekvensen som får spridning i populationen. Vissa alleler ger upphov till nya egenskaper (en ny morf, det vill säga form, inom arten), medan andra saknar biologisk betydelse.
Transkription
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.
Forskningshistoria miniatyr|höger|Francis Crick.
Friedrich Miescher (1844–1895) beskrev första gången 1869 en substans som han kallade ”nuklein”, som han funnit i cellkärnor. Miescher utgick från vita blodkroppar från variga bandage som suttit på infekterade sår. 1889 fick ämnet namnet ”nukleinsyra” av Mieschers elev Richard Altmann. Man fann att ämnet endast existerade i kromosomerna, vilka hade upptäckts bara några år tidigare. Senare visade det sig också finnas DNA i mitikondrier och kloroplaster.
Varken nukleinsyrans eller cellkärnas funktion var dock klarlagd vid denna tid. När Gregor Mendel upptäckte ärftlighetsprinciperna på 1860-talet, och när Mendels resultat återupptäcktes i början av 1900-talet, var det oklart var i cellerna arvsanlagen fanns, och vilka molekyler som var bärare av dem.
Mellan 1885 och 1901 arbetade fysiologen Albrecht Kossel med att isolera nukleinsyrans kemiska beståndsdelar. Slutligen kunde han visa att nukleinsyran bestod av cytosin, guanin, tymin, adenin och uracil. Cytosin, guanin och tymin och adenin är beståndsdelar i DNA, medan de tre första och uracil (i stället för tymin) återfinns i RNA-molekylen.
1929 visade Phoebus Levene att nukleotider med fyra olika baser var byggstenarna i DNA.
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.
1944 visade Oswald Avery att DNA kunde bära genetisk information, genom ett experiment där olika pneumokockstammars egenskaper förändrades genom överföring av DNA. Enligt den svenska kemiprofessorn Claes Gustafsson var upptäckten att den genetiska informationen lagras i DNA och förståelsen för hur denna information nedärvs en av 1900-talets största vetenskapliga bedrifter.