10.4 Ytre faktorers påvirkning på biomolekyler

Oppskriften på deg selv

Inne i nesten hver eneste celle i kroppen din ligger en oppskrift -- en komplett byggetegning for hele deg. Den er skrevet med nukleinsyrer, molekylene som lagrer og overfører genetisk informasjon. To slag finnes. DNA er det permanente arkivet over den genetiske informasjonen, og det inneholder sukkeret deoksyribose. RNA er arbeidskopien som brukes i proteinsyntesen, og det inneholder sukkeret ribose.

Forskjellen mellom de to sukkerartene er liten -- deoksyribose mangler bare ett oksygenatom sammenlignet med ribose -- men navnene avslører alt: DNA står for deoksyribonukleinsyre. I dette kapittelet skal vi bygge disse molekylene fra grunnen, forstå hvorfor basene parrer seg akkurat slik de gjør, og følge informasjonen hele veien fra gen til ferdig protein.

Byggesteinene og parene som passer

Grunnenheten i nukleinsyrer er nukleotidet, og det består alltid av tre deler. Først et sukker -- ribose i RNA, deoksyribose i DNA. Dernest en fosfatgruppe, som binder nukleotidene sammen til en kjede. Og til slutt en nitrogenbase, som er den delen som faktisk bærer den genetiske informasjonen.

Det finnes fem baser, delt i to typer. Purinene er de store med to ringer: adenin (A) og guanin (G), som finnes i både DNA og RNA. Pyrimidinene er de mindre med én ring: cytosin (C), tymin (T) som bare finnes i DNA, og uracil (U) som erstatter tymin i RNA.

Det vakreste ved DNA er hvordan basene parrer seg. Etter Watson-Crick-reglene parrer adenin alltid med tymin via to hydrogenbindinger, mens guanin alltid parrer med cytosin via tre hydrogenbindinger. Et stort purin parrer altså alltid med et lite pyrimidin, slik at avstanden blir konstant. Denne komplementære parringen er selve grunnlaget for at informasjonen kan kopieres trofast.

Den berømte dobbelhelixen

Når nukleotider bindes sammen, dannes en lang kjede der fosfatgruppene kobler sukkermolekylene sammen via fosfodiesterbindinger. Kjeden har retning: i den ene enden, kalt 5'-enden, sitter en fri fosfatgruppe, og i den andre, 3'-enden, en fri OH-gruppe.

I 1953 viste Watson og Crick at to slike kjeder vrir seg sammen til en dobbelhelix -- kanskje den mest kjente strukturen i all biologi. To kjeder ligger antiparallelt, altså går i motsatt retning. De holdes sammen av den komplementære baseparringen vi nettopp så (A-T og G-C), og sukker-fosfat-ryggraden ligger på utsiden mens basene stables på innsiden, som trinn i en vridd stige.

Noen tall gir et bilde: helixen er omtrent 2 nm i diameter, og det går rundt 10 basepar på hver omdreining. Strukturen holdes stabil både av hydrogenbindingene mellom basene og av at basene stabler seg tett oppå hverandre -- noe vi kaller base-stacking. Denne elegante geometrien er ikke bare vakker; den er nøyaktig det som trengs for å kopiere informasjonen pålitelig.

Fra gen til protein

Nå som vi forstår strukturen, kan vi følge informasjonen i bruk. Tre sentrale prosesser styrer den genetiske flyten.

Først DNA-replikasjon -- kopieringen av DNA før en celle deler seg. Enzymer kalt helikaser åpner dobbelheliksen, og DNA-polymerase bygger nye komplementære kjeder langs hver av de gamle. Prosessen er semikonservativ: hver nye DNA-molekyl beholder én gammel og én ny kjede. Slik blir kopien nøyaktig.

Deretter transkripsjon, der informasjonen i et gen skrives om fra DNA til mRNA med hjelp av enzymet RNA-polymerase:

$$\text{DNA} \xrightarrow{\text{RNA-polymerase}} \text{mRNA}$$

Til slutt translasjon, der mRNA oversettes til et protein. Ribosomene leser mRNA-et, og tRNA-molekyler bringer riktige aminosyrer. Avlesningen skjer i grupper på tre baser -- et kodon -- og hvert kodon koder for én aminosyre. Den samlede informasjonsflyten er enkel å huske: DNA → RNA → protein. Den genetiske koden er nesten universell, og den fungerer fordi baseparringen er komplementær.

Oppsummering

Vi har bygget livets informasjonsmolekyler fra grunnen. Nukleinsyrene DNA og RNA er kjeder av nukleotider, der hvert nukleotid har et sukker (deoksyribose eller ribose), en fosfatgruppe og en nitrogenbase. Purinene A og G parrer komplementært med pyrimidinene -- A med T (to hydrogenbindinger) og G med C (tre) -- mens RNA bruker U i stedet for T.

To antiparallelle kjeder vrir seg til en dobbelhelix med sukker-fosfat-ryggrad utenpå og stablede basepar inni, stabilisert av hydrogenbindinger og base-stacking. Informasjonen brukes gjennom tre prosesser: replikasjon kopierer DNA semikonservativt, transkripsjon lager mRNA, og translasjon oversetter mRNA til protein, der hvert kodon på tre baser gir én aminosyre. Hele kjeden følger den enkle regelen DNA → RNA → protein.