DNA

DNA er arvestoffet som finnes i alle celler. DNA har to hovedfunksjoner. 

1. DNA inneholder oppskrifter som bestemmer hvordan organismen skal se ut og fungere. Dette kan for eksempel være fargen på en blomst eller blodtypen hos et menneske. Disse oppskriftene kalles gener.

2. DNA kalles arvestoff fordi disse oppskriftene videreføres (arves) fra en generasjon til den neste. Alt DNA må kopiere seg selv når nye celler dannes ved celledeling. De nye cellene har helt likt DNA. Selve DNA-kopieringen kalles replikasjon.

Navnet DNA er en forkortelse som står for deoxyribonucleic acid, eller deoksyribonukleinsyre på norsk. DNA er et kjemisk stoff, en nukleinsyre, som består av store molekyler.

DNA har form som en lang, spiralformet dobbelttråd hvor genene ligger etter hverandre på rekke. Disse trådene er pakket tett sammen i kromosomer. Antall kromosomer varierer fra art til art. For eksempel har mennesket vanligvis 46 kromosomer mens bananfluer har åtte kromosomer.

Endringer i DNA kalles mutasjoner. Slike endringer kan ha ulike konsekvenser. Noen mutasjoner kan føre til sykdommer, for eksempel kreft. Andre mutasjoner kan gi en art nye egenskaper og dermed bidra til evolusjon. 

DNA har form som en lang stige satt sammen av to tråder. Trådene er bygget opp av små byggesteiner som kalles nukleotider. Et nukleotid består av tre deler: en nitrogenbase, et sukkermolekyl (sukkeret kalles deoksyribose) og en fosfatgruppe. Nitrogenbasen finnes i fire ulike varianter, som kalles A (adenin), C (cytosin), T (thymin) og G (guanin).

DNA-stigen er vridd som en spiral, og kalles en dobbelheliks. Dobbelheliksen består av to DNA-tråder av nukleotider, som holdes sammen av kjemiske bindinger. Hvert trinn i stigen består av to baser, mens sukkeret og fosfatgruppen utgjør rekkverket på hver side av trinnene. Det er ikke tilfeldig hvilke to baser som sitter sammen i et par. A og T binder seg alltid til hverandre, mens C passer med G. Dette kalles baseparring og holder de to DNA-trådene sammen.

Hvis man legger alt DNA-et i en menneskecelle etter hverandre blir det to meter langt. For at de lange, trådaktige DNA-molekylene skal få plass i cellekjernen, må de pakkes tett sammen. Histoner er en spesiell type proteiner som har ansvar for å folde og nøste opp DNA-trådene på denne måten. Når DNA er pakket sammen og surret rundt histoner kalles de kromosomer. Noen ganger er kromosomene pakket veldig tett sammen slik at de blir ekstra korte og kompakte. Dette skjer når en celle skal dele seg. Da kan man se kromosomene i et mikroskop (se bilde). Vanligvis er DNA-trådene løsere pakket sammen, og da kan de ikke sees i mikroskopet.

Kromosomene er organisert i par som består av to like kromosomer. I hvert par er ett kromosom arvet fra mor og ett fra far. Dermed inneholder DNA-et to utgaver av hvert enkelt gen, hvor hver utgave sitter på hvert sitt kromosom. For eksempel har mennesker 23 forskjellige kromosompar, altså 46 kromosomer totalt i hver celle.

Det eneste unntaket er kjønnscellene - altså eggceller hos hunnen og sædceller hos hannen. Disse har halvparten så mange kromosomer. Når kjønnscellene smelter sammen under befruktningen, vil de da til sammen gi opphav til et fullstendig kromosomsett.

Antall kromosomer i en vanlig celle vil avhenge av hvilken art vi snakker om. Andre arter enn mennesket vil ha et annet antall. For eksempel har ulv 39 par, giraff 31 par, ananas 25 par og poteter 24 par kromosomer. De fleste dyr, inkludert mennesker, har to utgaver av hvert kromosom. Da kalles de diploide (di betyr to). Men dette gjelder ikke alle arter. For eksempel har planter ofte flere enn to utgaver av hvert kromosom. Slike arter kalles polyploide (poly betyr mange).

Mesteparten av en organismes DNA finnes i cellekjernen, men det finnes også noe DNA utenfor cellekjernen. For eksempel har både dyr og planter DNA i mitokondriene. Disse er cellens egne kraftstasjoner og produserer energi. Planter har i tillegg DNA i de grønne kloroplastene. Dette er strukturer i plantenes celler hvor sollys omdannes til energi som planten kan bruke.

DNA i mitokondriene og kloroplastene er litt forskjellig fra DNA i cellekjernen. Det er sirkelformet, og ikke trådformet. Genene i mitokondriene og kloroplastene er stort sett oppskrifter på molekyler som er spesielt viktige for funksjonen til nettopp mitokondrier og kloroplaster.

Nukleotidene i DNA-molekylene ligger ikke i tilfeldig rekkefølge. De fire ulike nukleotidene, A, C, T, og G, kan sammenlignes med fire forskjellige bokstaver i et slags alfabet. Dette alfabetet er ordnet i et bestemt system som kalles «den genetiske kode».

Celler og organismer klarer ikke å lese informasjonen i genene direkte. Derfor må DNA-molekylets budskap først «oversettes» til et språk som cellen forstår. Dette gjøres ved at informasjonen som ligger lagret i DNA brukes som oppskrifter på proteiner. Proteiner er helt sentrale byggesteiner i organismen, og utfører i tillegg mange av de viktigste biologiske funksjonene. For eksempel er muskler bygd opp av to ulike proteiner som kalles aktin og myosin. Aktin og myosin sørger også for at muskelen kan trekke seg sammen. 

Alle proteiner er satt sammen av mindre molekyler som kalles aminosyrer, og rekkefølgen av aminosyrene avgjør hvilken form og funksjon proteinet får. Denne rekkefølgen er beskrevet i DNAs genetiske kode.

Når cellen skal lage et protein ut fra oppskriften i ett enkelt gen, må det først produseres en «arbeidskopi» av originalen. Dette gjøres ved at det lages et nytt molekyl som kalles RNA (ribonukleinsyre). RNA har en oppbygning som ligner veldig på DNA, men det er noen små forskjeller. RNA består av kun én enkelt tråd, i motsetning til DNA, som består av to tråder. Det har også et annet sukkermolekyl. I tillegg er en av basene byttet ut (U erstatter T).

Etter at RNA-kopien er ferdig, fraktes den ut av cellekjernen og ut til ribosomene, som er cellens egne proteinfabrikker. DNA fungerer som en oppskrift på proteiner ved at tre og tre nukleotider, for eksempel AGA eller CGG, koder for en enkelt aminosyre. DNA gir altså ordrene og beskriver hvordan proteinet skal se ut, mens RNA utfører selve arbeidet.

De aller fleste gener inneholder oppskrifter på proteiner, og disse kalles gjerne proteinkodende gener. Det finnes også noen gener som inneholder andre typer informasjon. Noen av disse inneholder oppskrifter på ulike typer RNA-molekyler som cellene trenger. Det finnes også gener som ikke blir oversatt i det hele tatt, men som er med på å påvirke aktiviteten i de proteinkodende genene. 

Når en celle deler seg og blir til to nye celler, må DNA-molekylene lage kopier av seg selv slik at hver ny celle får et komplett sett av arvestoffet. Dette gjøres ved at de to trådene i dobbelheliksen går fra hverandre og deretter brukes hver enkelt tråd som en oppskrift til å lage en ny tråd. De to nye DNA-molekylene (dobbelheliksene) vil derfor bestå av en ny og en gammel tråd. Kopiering av DNA er en komplisert prosess og det er mange enzymer og andre proteiner involvert.

Prinsippet for kopieringen er at ett og ett nukleotid legges til etterhvert som dobbelheliksen åpner seg. Enzymet som åpner DNA-molekylet bryter de svake bindingene mellom nitrogenbasene, og molekylet åpner seg på langs nesten som en glidelås. Enzymet som legger til nukleotider kalles DNA-polymerase.

De to nye DNA-molekylene er identiske med det opprinnelige molekylet, vi kaller de gjerne kromosomkopier. De to kopiene skiller lag og går til hver sin nye celle. Dette skjer med alle kromosomene i en celle når den deler seg slik at hver dattercelle får ett komplett sett av kromosomer som er lik morcellen. 

Den genetiske koden vil variere avhengig av hvilken art som skal bygges, for eksempel et grantre, en ulv, en bakterie eller et menneske. Jo større forskjellene er, jo mer ulike er organismene. For eksempel har DNA-koden til et menneske mye mer til felles med DNA-koden til en elefant enn DNA-koden til en blåklokke. Veldig mye av DNA-koden er likevel lik mellom de ulike artene, fordi mange grunnleggende prosesser i celler og vev er like og alt liv har samme opphav.

Det finnes også variasjoner i DNA mellom individer av samme art, for eksempel mellom to mennesker. Dette skyldes mutasjoner, det vil si endringer i rekkefølgen av baser i DNA-tråden som skjer i kjønnscellene. Disse endringene kan oppstå av ulike årsaker. Den viktigste årsaken er at det kan skje feil når DNA-molekylet kopierer seg selv. En annen årsak er påvirkning fra miljøet, for eksempel fra radioaktiv stråling. Uansett hva som er årsaken til at endringene oppstår vil noen slike endringer gå videre til neste generasjon. Derfor vil DNA-et til barn aldri være en tro kopi av foreldrenes DNA. Det vil være veldig likt, men altså ha noen forskjeller på grunn av mutasjoner.

En annen grunn til at vi har variasjon i arvestoffet vårt er måten kjønnscellene (eggceller og sædceller) lages på. Da skiller nemlig kromosomparene lag og halvparten går til den ene cellen og halvparten til den andre. Dette er nødvendig fordi ved befruktning smelter to kjønnsceller sammen og danner et embryo med et komplett kromosomsett. Nøkkelen til variasjonen er at det er helt tilfeldig hvordan kromosomene fordeler seg. Hvis vi tenker oss menneske med 23 par kromosomer betyr det at vi har 2²³ (det vil si 8,4 millioner) mulige kombinasjoner når kjønnscellene skal lages. Når to kjønnsceller smelter sammen for å lage et nytt individ, vil dette individet ha en helt unik kombinasjon av gener som ingen andre har. 

Selv om DNA inneholder informasjon om alle egenskapene til en organisme, vil miljøet også spille inn for hvordan det endelige resultatet blir. De fleste egenskapene våre er en blanding av gener og miljø. Det er også slik at de fleste egenskaper er påvirket av flere gener, noen av mange hundre eller mange tusen, slik det er med utviklingen av hjernen og nervesystemet.

For å forstå hvordan miljøet i tillegg til genene påvirker egenskaper, kan vi se på en spesiell sykdom som påvirker stoffskiftet. Sykdommen heter Fenylketonuri, eller tidligere Føllings sykdom fordi den ble oppdaget av nordmannen Asbjørn Følling, og fører til nedsatt evne til å bryte ned en aminosyre kalt fenylalanin. Hvis sykdommen ikke behandles kan den føre til alvorlig fysisk og psykisk utviklingshemming, men hvis man har en veldig streng diett med sterkt redusert inntak av fenylalanin vil man utvikle seg normalt. I dette tilfellet er genet ødelagt på grunn av mutasjon, og miljøet (det vi si dietten) har rettet opp feilen, men miljøet påvirker også alle de friske genene våre.

DNA-molekylets oppbygning ble beskrevet i 1953 av den amerikanske biokjemikeren James Watson og den britiske biofysikeren Francis Crick. I 1962 mottok de Nobelprisen i medisin og fysiologi for oppdagelsen, sammen med newzealenderen Maurice Wilkins. Wilkins hadde sammen med Rosalind Franklin arbeidet med røntgenundersøkelser for å avdekke DNA-strukturen. Det var Rosalind Franklin som under Wilkins ledelse gjorde de avgjørende røntgendiffraksjons-undersøkelsene og oppnådde resultatene som gjorde det mulig for Crick og Watson å beskrive dobbelheliksen. Rosalind Franklin døde i 1958 av kreft, antagelig forårsaket av røntgenundersøkelsene.

Oppdagelsen av DNA representerte starten på en lang rekke gjennombrudd innen arvelighetslæren og var begynnelsen til den moderne genetikken og genteknologien.

Lenge før forskerne fant ut hvordan DNA-molekylet er bygd opp og hvordan den genetiske koden fungerer, var det også en stor debatt om det faktisk var DNA som var arvestoffet eller om det var proteiner. I starten av debatten var veldig mange overbevist om at det måtte være proteiner fordi de mente proteinene kunne ha mye større variasjon enn DNA. Man trodde rett og slett det var umulig at DNA kunne inneholde nok variasjon til å sørge for alle de ulike artene som fins på jorda og variasjonen mellom individer av samme art (som mellom foreldre og barn). Det var to eksperimenter som slo fast en gang for alle at DNA er arvestoffet.

Det ene eksperimentet hadde med mus og lungebetennelse å gjøre. Bakteriene som gjorde at musene ble syke med lungebetennelse hadde en bestemt egenskap som beskyttet dem mot musenes immunsystem. Bakteriene ble kalt S. Hvis en annen type bakterie (kalt R) av samme art, som ikke fører til lungebetennelse, blandes sammen med S, vil R få DNA av S og dermed også kunne gi musene lungebetennelse. Man gjorde forsøk som viste at det virkelig var DNA som ble overført mellom de to bakteriene og ikke proteiner. Altså, det var DNA som kodet for den bestemte egenskapen som beskyttet bakteriene mot musenes immunforsvar.

Det andre eksperimentet brukte virus som angriper bakterier til å vise at viruset overførte DNA-et sitt, og ikke proteinene sine, når det angriper bakterier for å lage nye kopier av seg selv. Dette gjorde de ved å merke DNA og proteiner med to ulike typer radioaktivitet. De lot viruset angripe masse bakterier, puttet bakteriene i en kjøkkenmaskin (ja, det var faktisk en kjøkkenmaskinen som forskerne lånte av en dame som het Ms. McDonald), og analyserte hva de nye virusene bestod av. Forskerne kunne måle at de nye virusene hadde det radioaktive merket som DNA hadde fått, ikke det som proteinene hadde fått. Dette viste at det var DNA som var arvestoffet som de nye virusene hadde fått fra sine virusforeldre.