DNA

Strukturen af DNA-dobbelthelix. Atomerne i strukturen er farvekodet efter grundstof, og to basepars detaljerede struktur er vist i nederste højre hjørne.
Strukturen i en del af en DNA-dobbelthelix

Deoxyribonukleinsyre (DNA, fra det engelske ord Deoxyribonucleic acid) er et molekyle, som bærer på de fleste af de genetiske instruktioner, der bruges ved vækst, udvikling, funktion og reproduktion af alle kendte levende organismer og mange vira. DNA og RNA er nukleinsyrer; sammen med proteiner og komplekse kulhydrater udgør de de tre store typer makromolekyler, der er essentielle for alle kendte former for liv.

De fleste DNA-molekyler består af to biopolymer-strenge snoet omkring hinanden i en dobbelthelix. De to DNA-strenge er kendt som polynukleotider, siden de består af simplere enheder kaldet nukleotider.[1] Hvert nukleotid består af en nitrogenholdig nukleobase — enten cytosin (C), guanin (G), adenin (A) eller thymin (T) — såvel som en sukker kaldet deoxyribose og en fosfatgruppe. Nukleotiderne forbindes med hinanden i en kæde af kovalente bindinger mellem det ene nukleotids sukker og det andets fosfat, hvilket resulterer i en alternerende sukker-fosfat-rygrad.

DNA opbevarer biologisk information. DNA-rygraden er resistent over for spaltning, og begge strenge af den dobbelt-strengede struktur opbevarer den samme biologiske information. Biologisk information replikeres, idet de to strenge separeres. En betragtelig del af DNA (mere end 98 % for mennesker) er ikke-kodende, hvilket betyder, at disse sektioner ikke fungerer som koder for proteinsekvenser.

Inde i celler organiseres DNA i lange strukturer kaldet kromosomer. Under celledeling duplikeres disse kromosomer ved en proces kaldet DNA-replikation, hvilket giver hver celle sit eget komplette sæt af kromosomer. Eukaryote organismer (dyr, planter, svampe og protister) opbevarer det meste af deres DNA i cellekernen og noget af deres DNA i organeller, såsom mitokondrier eller grønkorn.[2] I modsætning hertil opbevarer prokaryoter (bakterier og arkæer) kun deres DNA i cytoplasmaet. Inde i kromosomerne komprimeres og organiseres DNA'en af kromatinproteiner såsom histon. Disse kompakte strukturer guider interaktionerne mellem DNA og andre proteiner, og hjælper med at kontrollere, hvilke dele af DNA'en der transskriberes. Alle levende ting har en særlig genetisk makeup , der er unik for deres art . Dyr , planter , encellede organismer , og endda nogle vira indeholder deoxyribonukleinsyre , også kaldet DNA , som indeholder disse gener. De er ansvarlige for at skabe nye celler og til at holde tegninger af organismen. I øjeblikket er genforskere studerer DNA med henblik på at forstå, hvordan man bekæmpe visse sygdomme , og også for at finde ud af at kunstigt replikere DNA strenge for at skabe celler i et laboratorium indstilling.

Egenskaber

DNA's kemiske struktur; hydrogenbindinger vist som prikkede linjer

DNA er en lang polymer lavet af gentagende enheder kaldet nukleotider.[3][4] DNA's struktur er ikke-statisk,[5] alle arter består af to heliske kæder, der hver snor sig om den samme akse, og hver med en bane på 34 ångström (3,4 nanometer) og en radius på 10 ångström (1,0 nanometer).[6] Ifølge et andet studium kan DNA-kæden, i en bestemt opløsning, måles til at være 22 til 26 ångström bred (2,2 til 2,6 nanometer), og en nukleotidenhed blev målt til at være 3,3 Å (0,33 nm) lang.[7] Selvom hver individuel gentagende enhed er meget lille, kan DNA-polymerer være meget store molekyler indeholdende millioner af nukleotider. For eksempel består DNA'en i det største menneskekromosom, kromosom nummer 1, af omkring 220 millioner basepar[8] og ville være 85 mm langt, hvis det blev rettet ud.

I levende organismer eksisterer DNA normalt ikke som et enkelt molekyle, men derimod som et molekylepar, der holdes stramt sammen.[9][10] Disse to lange strenge flettes omkring hinanden i form af en dobbelthelix. Hver nukleotidenhed indeholder både en del af molekylets rygradssegment, som holder kæden sammen, og en nukleobase, som interagerer med den anden DNA-streng i helixen. En nukleobase, der er forbundet med en sukker, kaldes et nukleosid, mens en base, der er forbundet med en sukker og en eller flere fosfatgrupper, kaldes et nukleotid. En polymer bestående af flere forbundne nukleotider (som i DNA) kaldes et polynukleotid.[11]

DNA-strengens rygrad består af alternerende fosfat- og sukkergrupper.[12] Sukkeret i DNA er 2-deoxyribose, som er en pentose (fem-carbon-sukker). Sukkeret bindes sammen af fosfatgrupper, som danner fosfodiesterbindinger mellem det tredje og femte carbonatom på nærliggende sukkerringe. Disse asymmetriske bindinger betyder, at en DNA-streng har en retning. I en dobbelthelix er retningen på nukleotiderne i en streng modsat af nukleotidernes retning i den anden streng: Strengene er antiparallelle. DNA-strengenes asymmetriske ender kaldes 5′-enden og 3′-enden, hvor 5′-enden har en terminal fosfatgruppe og 3′-enden har en terminal hydroxylgruppe. En stor forskel mellem DNA og RNA er sukkeret, der i DNA er 2-deoxyribose og i RNA den alternative pentosesukker ribose.[10]

En sektion af DNA. Baserne ligger horisontalt mellem de to spiralsnoede strenge.[13] (animeret version).

DNA-dobbelthelixen stabiliseres primært af to kræfter: hydrogenbindinger mellem nukleotider og basestablingsinteraktioner mellem aromatiske nukleobaser.[14] I cellens vandige miljø tilpasser nukleobasernes konjugerede π-bindinger sig vinkelret på DNA-molekylets akse, hvilket minimerer deres interaktion med solvatiseringsskallen og derfor deres Gibbs fri energi. De fire baser i DNA er adenin (forkortet A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). Disse fire baser forbindes til sukkeret/fosfatet for at danne det komplette nukleotid, som vist for adenosinmonofosfat. Adenin parres med thymin, mens guanin parres med cytosin. Det blev repræsenteret af A-T-basepar og G-C-basepar.[15][16]

Nukleobaseklassifikation

Nukleobaserne klassificeres i to typer: purinerne, A og G, som er fusionerede fem- og seksdelte heterocykliske forbindelser, og pyrimidinerne, de seksleddede ringe C og T.[10] En femte pyrimidinnukleobase, uracil (U), erstatter normalt thymin i RNA og adskiller sig fra thymin idet den mangler en methylgruppe på sin ring. Udover RNA og DNA er der også blevet skabt en lang række kunstige nukleinsyreanaloger til brug ved studier i nukleinsyrernes egenskaber, eller i bioteknologi.[17]

Uracil findes normalt ikke i DNA og opstår kun som et nedbrydningsprodukt af cytosin. I en række bakteriofager – Bacillus subtilis-bakteriofagerne PBS1 og PBS2 og Yersinia-bakteriofagen piR1-37 – er thymin erstattet af uracil.[18] En anden fag – stafylokokkerfag S6 – er blevet identificeret som et genom, hvor thymin er erstattet af uracil.[19]

Base J (beta-d-glukopyranosyloxymethyluracil), en modificeret form af uracil, findes også i en række organismer: flagellaterne Diplonema og Euglena, og alle slægter af kinetoplastider.[20] Biosyntese af J sker i to trin: i det første trin konverteres en specifik thymidin i DNA til hydroxymethyldeoxyuridin; i det andet glykosyleres HOMedU til at danne form J.[21] Der er blevet fundet proteiner, der binder specifikt til denne base.[22][23][24] Disse proteiner lader til at være en fjern slægtning til det Tet1-onkogen, der er involveret i patogenesen af akut myeloid leukæmi.[25] J lader til at opføre sig som et terminationssignal for RNA polymerase II.[26][27]

Riller

Store og små riller i DNA. Små riller er bindingssted for farven Hoechst 33258.

To heliske strenge udgør DNA'ens rygrad. En anden dobbelthelix kan findes ved at følge rummene, eller rillerne (på engelsk kaldet "grooves"), mellem strengene. Disse hulrum støder op til baseparrene og kan udgøre et bindingssted. Da strengene ikke ligger symmetrisk i forhold til hinanden, er rillerne af forskellig størrelse. En rille, den store rille, er 22  Å bred, mens den anden, den lille rille, er 12 Å bred.[28] Bredden af den store rille medfører, at kanterne på baserne er mere tilgængelige i den store rille end i den lille. Som følge heraf får proteiner såsom transskriptionsfaktorer, der kan binde til specifikke sekvenser i dobbelt-strenget DNA, normalt kontakt med siderne af de baser, der er blotlagt i den store rille.[29] Denne situation varierer i nogle usædvanlige DNA-konformere i cellen, men navnene "store" og "lille" rille er til for at reflektere de forskelle i størrelse, der ville ses, hvis DNA'en drejedes tilbage til almindelig B-form.

Baseparring

Uddybende Uddybende artikel: Basepar

I en DNA-dobbelthelix binder hver type nukleobase på en streng kun til en bestemt type nukleobase på den anden streng. Dette kaldes komplementær baseparring. Her danner puriner hydrogenbindinger til pyrimidiner, idet adenin kun binder til thymin via to hydrogenbindinger, og cytosin kun binder til guanin via tre hydrogenbindinger. Dette arrangement af to nukleotider, der binder sig sammen på tværs af en dobbelthelix, kaldes et basepar. Da hydrogenbindinger ikke er kovalente, kan de brydes og genforenes relativt nemt. DNA's to strenge i en dobbelthelix kan derfor trækkes fra hinanden som en lynlås, enten ved mekanisk kraft eller høje temperaturer.[30] Som følge af denne komplementaritet duplikeres al information i den dobbelt-strengede sekvens i en DNA-helix på hver streng, hvilket er livsvigtigt i DNA-replikation. Denne reversible og specifikke interaktion imellem komplementære basepar er kritisk for alle DNA's funktioner i levende organismer.[4]

Base pair GC.svg
Base pair AT.svg
Øverst: et GC-basepar med tre hydrogenbindinger. Nederst: et AT-basepar med to hydrogenbindinger. Ikke-kovalente hydrogenbindinger mellem parrene vises som stiplede linjer.

De to typer basepar danner forskellige antal hydrogenbindinger, hvor AT danner to hydrogenbindinger og GC danner tre. DNA med højt GC-indhold er mere stabilt end DNA med lavt GC-indhold.

Som bemærket ovenfor er de fleste DNA-molekyler i virkeligheden to polymerstrenge, bundet sammen i helisk form af ikke-kovalente bindinger; denne dobbeltstrengede struktur (dsDNA) vedligeholdes hovedsageligt af intrastrengs-basestablingsinteraktioner, som er stærkest for G,C-stakke. De to strenge kan adskilles fra hinanden – en proces kendt som smeltning – for at danne to enkelt-strengede DNA-molekyler (ssDNA, efter engelsk single-stringed DNA). Smeltning sker ved høje temperaturer, lav saltkoncentration og høj pH (lav pH smelter også DNA, men siden DNA er ustabilt pga. syreafpurinering bruges lav pH sjældent).

dsDNA-formens stabilitet afhænger ikke kun af GC-indholdet (% G,C-basepar), men også af sekvensen (siden stabling er sekvensspecifikt) og af længden (længere molekyler er mere stabile). Stabiliteten kan måles på forskellige måder; en udbredt måde er "smeltetemperaturen", hvilket er temperaturen hvor 50% af ds-molekylerne konverteres til ss-molekyler; smeltetemperaturer er afhængige af ionisk styrke og DNA'ens koncentration. Som følge heraf er det både procentdelen af GC-basepar og den overordnede længde af DNA-dobbelthelixen, der afgør styrken af forbindelsen mellem de to DNA-strenge. Lange DNA-helixer med højt GC-indhold har stærkere-interagerende strenge, mens korte helixer med højt AT-indhold har svagere-interagerende strenge.[31] Inden for biologien er der en tendens til, at dele af DNA-dobbelthelixen, som skal kunne separere nemt, såsom TATAAT Pribnow-boksen i nogle promotere, har højt AT-indhold, hvilket gør strengene lettere at trække fra hinanden.[32]

I laboratoriet kan styrken af denne interaktion måles ved at finde den temperatur, der er nødvendig for at bryde hydrogenbindingerne, deres smeltetemperatur (også kaldet Tm-værdien). Når alle baseparrene i en DNA-dobbelthelix smelter, adskilles og eksisterer strengene i opløsning som to fuldstændigt uafhængige molekyler. Disse enkeltstrengede DNA-molekyler (ssDNA) har ingen almindelig form, men nogle konformere er mere stabile end andre.[33]

Sense og antisense

Uddybende Uddybende artikel: Sense (molekylærbiologi)

En DNA-sekvens kaldes "sense" hvis dens sekvens er den samme som en messenger RNA-kopi, der translateres til protein.[34] Sekvensen på den modsatte streng kaldes "antisense"-sekvensen. Både sense- og antisense-sekvenser kan eksistere på forskellige dele af den samme DNA-streng (dvs. begge strenge kan indeholde både sense- og antisensesekvenser). Antisense-RNA-sekvenser produceres i både prokaryoter og eukaryoter, men disse RNA'ers funktioner er ikke helt visse.[35] En mulighed er, at antisense-RNA er involveret i reguleringen af genudtryk gennem RNA-RNA-baseparring.[36]

Nogle få DNA-sekvenser i prokaryoter og eukaryoter, og flere i plasmider og vira, slører grænsen mellem sense- og antisense-strenge ved at have overlappende gener.[37] I disse tilfælde fungerer nogle DNA-sekvenser dobbelt, og koder et protein når de læser langs en streng, og et andet protein når de læses i den modsatte retning langs den anden streng. I bakterier kan dette overlap være involveret i reguleringen af gentransskription,[38] mens overlappende gener hos vira kan øge mængden af information, der kan indkodes i det lille virale genom.[39]

Supercoiling

Uddybende Uddybende artikel: DNA-supercoiling

DNA kan snos som et reb ved en proces kaldet DNA supercoiling. I DNA'ens "afslappede" tilstand cirkler en streng normalt omkring dobbelthelixens akse en gang hvert 10,4 basepar, men hvis DNA'en snos, bliver strengene strammere eller løsere bundet.[40] Hvis DNA'en snos i samme retning som helixen, kaldes dette positiv supercoiling, og baserne holdes strammere sammen. Hvis de snos i den modsatte retning, kaldes det negativ supercoiling, og baserne kan nemmere adskilles. I naturen har den meste DNA en let negativ supercoiling, der skyldes enzymerne topoisomerase.[41] Disse enzymer behøves også for at aflaste de snoede spændinger, der introduceres i DNA-strenge under processer såsom transskription og DNA-replikation.[42]

Alternative DNA-strukturer

Fra venstre mod højre: strukturerne for A-, B- og Z-DNA

DNA eksisterer i mange mulige konformere, der inkluderer A-DNA, B-DNA og Z-DNA, selvom kun B-DNA og Z-DNA er blevet direkte observeret i funktionelle organismer.[12] Den konformer som DNA indtager afhænger af hydratiseringsniveauet, DNA-sekvensen, mængden og retningen af supercoiling, kemiske modifikationer af baserne, typen og koncentrationen af metalioner, såvel som tilstedeværelsen af polyaminer i opløsningen.[43]

De første offentliggjorte rapporter om A-DNA-røntgendiffraktionsmønstre – såvel som B-DNA – brugte analyser baseret på Patterson-metoden, der kun gav begrænsede mængder strukturel information om orienterede DNA-fibre.[44][45] En alternativ analyse blev efterfølgende foreslået af Wilkins et al., i 1953, for in vivo B-DNA røntgendiffraktionsmønstre af højt hydratiserede DNA-fibre i form af kvadrater af Besselfunktioner.[46] I den samme journal præsenterede James Watson og Francis Crick deres molekylærmodelleringsanalyse af DNA-røntgendiffraktionsmønstrene for at sandsynliggøre at strukturen var en dobbelthelix.[6]

Selvom "B-DNA-formen" er den mest almindelige under de forhold, der findes i celler,[47] er den ikke en veldefineret konformer, men en familie af relaterede DNA-konformere,[48] der finder sted på de høje hydratiseringsniveauer i levende celler. Deres tilsvarende røntgendiffraktions- og spredningsmønstre er karakteristiske for molekylære parakrystaller med en signifikant grad af uorden.[49][50]

Sammenlignet med B-DNA er A-DNA-formen en bredere, højrehåndet spiral, med en overfladisk, bred lille rille og en smallere, dybere stor rille. A-formen fremkommer under ikke-fysiologiske forhold i delvist dehydrerede DNA-prøver, mens den i cellen kan produceres i hybridparringer af DNA- og RNA-strenge, såvel som i enzym-DNA-komplekser.[51][52] Segmenter af DNA, hvor baserne er blevet kemisk modificeret ved methylering, kan undergå en større forandring i konformer og indtage Z-form. Her drejer strengene omkring den heliske akse i en venstrehåndet spiral, det modsatte af den mere almindelige B-form.[53] Disse usædvanlige strukturer kan genkendes på specifikke Z-DNA-bindingsproteiner og kan være involveret i reguleringen af transskription.[54]

Alternativ DNA-kemi

I en række år har exobiologer foreslået, at der findes en skyggebiosfære, en postuleret mikrobiel biosfære af Jorden som anvender radikalt anderledes biokemiske og molekylære processer end det liv der kendes i dag. Et af forslagene var eksistensen af livsformer, som bruger arsen i stedet for fosfor i DNA. En rapport om denne mulighed i bakterien GFAJ-1 blev bebudet i 2010,[55][55][56] selvom forskningen var omstridt,[56][57] og beviserne peger i retning af, at bakterien aktivt forhindrer inkorporeringen af arsen i DNA-rygraden og andre biomolekyler.[58]

Quadruplexstrukturer

Uddybende Uddybende artikel: G-quadruplex
DNA-quadruplex dannet af telomergentagelser. DNA-rygradens gentagede konformer er meget anderledes fra den typiske DNA-helix.[59]

I enderne af de lineære kromosomer findes specialiserede DNA-regioner kaldet telomerer. Disse regioners centrale funktion er at tillade cellen at replikere kromosomender ved brug af enzymet telomerase, da enzymerne som normalt replikerer DNA ikke kan kopiere de yderste 3′-ender af kromosomer.[60] Disse specialiserede 'kromosomdæksler' hjælper også med at beskytte DNA-enderne og stoppe DNA-reparationssystemerne i cellen fra at behandle dem som skade, der skal repareres.[61] I menneskeceller har telomerer normalt en længde på enkelt-strenget DNA indeholdende flere tusinde gentagelser af en simpel TTAGGG-sekvens.[62]

Disse guaninrige sekvenser kan stabilisere kromosomender ved at danne strukturer af stablede sæt af fire-baseenheder, snarere end de normale basepar i andre DNA-molekyler. Her danner fire guaninbaser en flad tallerken, og disse flade firebaseenheder stables derefter ovenpå hinanden for at danne en stabil G-quadruplexstruktur.[63] Disse strukturer stabiliseres af hydrogenbindinger mellem basekanterne og chelat fra en metalion i midten af hver firebase-enhed.[64] Der kan også dannes andre strukturer, hvor det centrale sæt af fire baser kommer fra enten en enkelt streng foldet omkring baserne, eller flere forskellige parallelle strenge, der hver bidrager med en base til den centrale struktur.

Udover disse stablede strukturer danner telomerer også store loopende strukturer kaldet telomerloops, eller T-loops. Her krøller den enkelt-strengede DNA sig sammen til en lang cirkel stabiliseret af telomerbindende proteiner.[65] I den sidste ende af T-loopet holdes den enkelt-strengede telomer-DNA på en region af dobbelt-strenget DNA af den telomerstreng, der splitter den dobbeltheliske DNA og baseparring til en af de to strenge. Denne trippel-strengede struktur kaldes et D-loop.[63]

Forgrenet DNA

Branch-dna-single.svg Branch-DNA-multiple.svg
Enkelt gren Flere grene
Forgrenet DNA kan danne netværk indeholdende flere grene.

DNA " flosser", når ikke-komplementære regioner eksisterer i enden af en ellers komplementær dobbelt-strenget DNA. Forgrenet DNA kan dog opstå, hvis en tredje streng af DNA introduceres og indeholder tilstødende regioner i stand til at hybridisere med de flossede regioner i den allerede eksisterende dobbelt-streng. Selvom det mest simple eksempel på forgrenet DNA kun involverer tre DNA-strenge, er det også muligt at skabe komplekser med yderligere strenge og flere grene.[66] Forgrenet DNA kan bruges i nanoteknologi til at konstruere geometriske former.

Andre sprog
Afrikaans: DNS
አማርኛ: ዲ ኤን ኤ
مصرى: حمض نووى
অসমীয়া: ডি এন এ
башҡортса: ДНК
žemaitėška: DNR
беларуская (тарашкевіца)‎: Дэзоксырыбануклійная кісьля
Bahasa Banjar: Asam deoksiribonukleat
বাংলা: ডিএনএ
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: DNA
کوردی: دی ئێن ئەی
čeština: DNA
Cymraeg: DNA
Ελληνικά: DNA
English: DNA
Esperanto: DNA
eesti: DNA
فارسی: دی‌ان‌ای
suomi: DNA
føroyskt: DNA
Nordfriisk: DNA
furlan: DNA
客家語/Hak-kâ-ngî: DNA
עברית: DNA
Fiji Hindi: DNA
Kreyòl ayisyen: ADN
Հայերեն: ԴՆԹ
Bahasa Indonesia: Asam deoksiribonukleat
íslenska: DNA
italiano: DNA
Basa Jawa: DNA
қазақша: ДНҚ
ಕನ್ನಡ: ಡಿ.ಎನ್.ಎ
한국어: DNA
Limburgs: DNA
lumbaart: DNA
македонски: ДНК
മലയാളം: ഡി.എൻ.എ.
монгол: ДНХ
Bahasa Melayu: Asid deoksiribonukleik
မြန်မာဘာသာ: ဒီအန်အေ
नेपाली: डी एन ए
नेपाल भाषा: डी एन ए
norsk nynorsk: DNA
norsk: DNA
Novial: DNA
Oromoo: DNA
ਪੰਜਾਬੀ: ਡੀ.ਐੱਨ.ਏ.
Kapampangan: DNA
Papiamentu: ADN
Deitsch: DNA
Piemontèis: DNA
پنجابی: ڈی این اے
română: ADN
русиньскый: ДНА
sicilianu: DNA
Scots: DNA
srpskohrvatski / српскохрватски: DNK
සිංහල: ඩී.එන්.ඒ.
Simple English: DNA
Soomaaliga: DNA
shqip: ADN
Basa Sunda: DNA
svenska: DNA
Kiswahili: DNA
தமிழ்: டி. என். ஏ.
Tagalog: DNA
Türkçe: DNA
oʻzbekcha/ўзбекча: Dezoksiribonuklein kislota
vèneto: DNA
Tiếng Việt: DNA
West-Vlams: DNA
Winaray: DNA
ייִדיש: DNA
Yorùbá: DNA
Bân-lâm-gú: DNA