1.1 DNA-struktur og replikasjon

DNA-struktur og replikasjon

I dette kapittelet skal du lære om:

- Oppbygginga av nukleotid og DNA-molekylet
- Watson og Cricks dobbeltheliks-modell
- Semikonservativ replikasjon
- Enzym som er involverte i DNA-replikasjon

DNA (deoksyribonukleinsyre) er molekylet som ber den genetiske informasjonen i alle levande organismar. Forståinga av DNA-strukturen var eit av dei viktigaste gjennombrota i biologihistoria, og dannar grunnlaget for moderne molekylærbiologi og bioteknologi.

Nukleotid – byggjesteinane i DNA

DNA er ein polymer bygd opp av monomerar kalla nukleotid. Kvar nukleotid består av tre komponentar:

1. Fosfatgruppe

2. Deoksyribose (sukkermolekyl)

3. Nitrogenbase

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

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

Nukleotidstruktur (skjematisk)

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

Nukleotida vert kobla saman i ei kjede der fosfatgruppa på éin nukleotid bind 5'-karbon til 3'-karbon på neste nukleotid. Denne fosfodiesterbindinga gir DNA ei retning: frå 5'-enden til 3'-enden.

Dobbeltheliks – den tredimensjonale strukturen til DNA

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

Hovudtrekk ved dobbeltheliks

1. To polynukleotidkjeder viklar seg rundt kvarandre i ei spiralform
2. Kjedene løper i antiparallell retning (5'→3' og 3'→5')
3. Sukker-fosfat-ryggraden er på utsida, basane peikar innover
4. Basane vert haldne saman av hydrogenbindingar mellom komplementære basepar
5. Det er ca. 10 basepar per heliks-omdreiing
6. Heliks-diameteren er ca. 2 nm

Chargaffs reglar

Erwin Chargaff oppdaga at i DNA frå ein organisme gjeld:
- Mengda adenin (A) = mengda tymin (T)
- Mengda guanin (G) = mengda cytosin (C)

Dette skuldast komplementær baseparing:
- A – T: to hydrogenbindingar
- G – C: tre hydrogenbindingar

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-bindingar, ≡≡≡ representerer 3 H-bindingar)

Stor og lita fure

Dobbeltheliksen har to furer (fordjupingar):
- Stor fure (major groove): Breiare, gir tilgang for protein som les av DNA
- Lita fure (minor groove): Smalare

Transkripsjonsfaktorar bind ofte i den store fura for å kjenne att spesifikke DNA-sekvensar.

Semikonservativ replikasjon

DNA-replikasjon er prosessen der DNA-molekylet vert kopiert før celledeling. Replikasjonen er semikonservativ, noko som tyder at kvart nytt DNA-molekyl inneheld éin original tråd og éin 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 vart «tungt»
2. Overføre til medium med lett nitrogen ($^{14}N$) og la cellene dele seg
3. Etter éin runde: Alt DNA var mellomtungt (éin tung + éin lett tråd)
4. Etter to rundar: Halvparten mellomtungt, halvparten lett

Dette utelukka konservativ og dispersiv replikasjon.

Hovudtrinn i DNA-replikasjon

1. Initiering
- Replikasjonen startar ved spesifikke sekvensar kalla replikasjonsopphav (origins of replication)
- Hos E. coli: eitt origin (oriC)
- Hos eukaryotar: mange origins (hundrevis til tusenvis)

2. Elongering
- DNA-syntese skjer i 5'→3'-retning
- Leiande tråd (leading strand): Vert syntetisert kontinuerleg i retning mot replikasjonsgaffelen
- Hengjande tråd (lagging strand): Vert syntetisert diskontinuerleg som Okazaki-fragment (ca. 100–200 nukleotid hos eukaryotar)

3. Terminering
- Replikasjonen vert fullført når to replikasjonsgaflar møtest
- Okazaki-fragment vert sydde saman av DNA-ligase

Oppsummering

DNA-struktur

DNA-replikasjon

Nøkkelenzym