1.1 DNA-struktur og replikasjon

DNA-struktur og replikasjon

I dette kapittelet skal du lære om:

- Oppbyggingen av nukleotider og DNA-molekylet
- Watson og Cricks dobbeltheliks-modell
- Semikonservativ replikasjon
- Enzymer som er involvert i DNA-replikasjon

DNA (deoksyribonukleinsyre) er molekylet som bærer den genetiske informasjonen i alle levende organismer. Forståelsen av DNA-strukturen var et av de viktigste gjennombruddene i biologiens historie, og danner grunnlaget for moderne molekylærbiologi og bioteknologi.

Nukleotider – DNAs byggesteiner

DNA er et polymer bygd opp av monomerer kalt nukleotider. Hver nukleotid består av tre komponenter:

1. Fosfatgruppe

2. Deoksyribose (sukkermolekyl)

3. Nitrogenbase

Puriner (dobbeltring-struktur):
- Adenin (A)
- Guanin (G)

Pyrimidiner (enkelring-struktur):
- Cytosin (C)
- Tymin (T)

Nukleotidstruktur (skjematisk)

    Fosfat — 5'-Deoksyribose — Base
                  |
               3'-OH

Nukleotidene kobles sammen i en kjede der fosfatgruppen på én nukleotid binder 5'-karbon til 3'-karbon på neste nukleotid. Denne fosfodiesterbindingen gir DNA en retning: fra 5'-enden til 3'-enden.

Dobbeltheliks – DNAs tredimensjonale struktur

I 1953 publiserte James Watson og Francis Crick sin modell for DNA-strukturen, basert på røntgenkrystallografi-data fra Rosalind Franklin og Maurice Wilkins.

Hovedtrekk ved dobbeltheliks

1. To polynukleotidkjeder vikler seg rundt hverandre i en spiralform
2. Kjedene løper i antiparallell retning (5'→3' og 3'→5')
3. Sukker-fosfat-ryggraden er på utsiden, basene peker innover
4. Basene holdes sammen av hydrogenbindinger mellom komplementære basepar
5. Det er ca. 10 basepar per heliks-omdreining
6. Heliks-diameteren er ca. 2 nm

Chargaffs regler

Erwin Chargaff oppdaget at i DNA fra en organisme gjelder:
- Mengden adenin (A) = mengden tymin (T)
- Mengden guanin (G) = mengden cytosin (C)

Dette skyldes komplementær baseparing:
- A – T: to hydrogenbindinger
- G – C: tre hydrogenbindinger

Skjematisk dobbeltheliks

  5'---A===T---3'
  5'---G≡≡≡C---3'
  5'---T===A---3'
  5'---C≡≡≡G---3'
  5'---A===T---3'
       ↑     ↑
   Strand 1  Strand 2
  (5'→3')   (3'→5')

(=== representerer 2 H-bindinger, ≡≡≡ representerer 3 H-bindinger)

Store og lille fure

Dobbeltheliksen har to furer (fordypninger):
- Store fure (major groove): Bredere, gir tilgang for proteiner som leser av DNA
- Lille fure (minor groove): Smalere

Transkripsjonsfaktorer binder ofte i den store furen for å gjenkjenne spesifikke DNA-sekvenser.

Semikonservativ replikasjon

DNA-replikasjon er prosessen der DNA-molekylet kopieres før celledeling. Replikasjonen er semikonservativ, noe som betyr at hvert nytt DNA-molekyl inneholder én original tråd og én nysyntetisert tråd.

Meselson-Stahl-eksperimentet (1958)

Matthew Meselson og Franklin Stahl beviste semikonservativ replikasjon ved å:
1. Dyrke E. coli i medium med tungt nitrogen ($^{15}N$) – alt DNA ble «tungt»
2. Overføre til medium med lett nitrogen ($^{14}N$) og la cellene dele seg
3. Etter én runde: Alt DNA var mellomtungt (én tung + én lett tråd)
4. Etter to runder: Halvparten mellomtungt, halvparten lett

Dette utelukket konservativ og dispersiv replikasjon.

Hovedtrinn i DNA-replikasjon

1. Initiering
- Replikasjonen starter ved spesifikke sekvenser kalt replikasjonsopphav (origins of replication)
- Hos E. coli: ett origin (oriC)
- Hos eukaryoter: mange origins (hundrevis til tusenvis)

2. Elongering
- DNA-syntese skjer i 5'→3'-retning
- Ledende tråd (leading strand): Syntetiseres kontinuerlig i retning mot replikasjonsgaffelen
- Hengende tråd (lagging strand): Syntetiseres diskontinuerlig som Okazaki-fragmenter (ca. 100–200 nukleotider hos eukaryoter)

3. Terminering
- Replikasjonen fullføres når to replikasjonsgafler møtes
- Okazaki-fragmenter sys sammen av DNA-ligase

Oppsummering

DNA-struktur

DNA-replikasjon

Nøkkelenzymer