nukleinsyrer

Nukleinsyrer er biokjemiske forbindelser som styrer oppbyggingen av proteiner.

Man deler nukleinsyrene i to hovedgrupper:

• DNA, deoksyribonukleinsyre. DNA utgjør arvestoffet. Det finnes hovedsakelig i cellekjernen, men også i mitokondrier og kloroplaster. DNA er en forkortelse for det engelske navnet deoxyribonucleic acid.
• RNA, ribonukleinsyre (se nedenfor). RNA finnes fortrinnsvis i cellens cytoplasma. RNA er forkortelse for det engelske navnet ribonucleic acid.

Den første nukleinsyren ble oppdaget i slutten av 1860-årene av sveitseren F. Miescher, som isolerte den fra cellekjernen. Forbindelsen reagerte surt og var løselig i base. Den ble kalt nukleinsyre, et navn som brukes fremdeles, selv om nukleinsyrene senere også er funnet i cellenes cytoplasmaer.

Nukleinsyrene er uforgrenede polymerer, det vil si at molekylene er lange kjeder bygd opp av samme enheter. Et protein er en polymer (polypeptidkjede) med aminosyrer som byggesteiner. På samme måte er nukleinsyrene polynukleotider satt sammen av nukleotider, og kommer derved til å bestå av like deler pentose, fosforsyre og en organisk base. Pentosen er ribose i RNA og deoksyribose i DNA. De fire vanlige basene er purinderivatene adenin og guanin, og pyrimidinderivatene tymin, uracil og cytosin. Tymin finner vi bare i DNA, uracil bare i RNA. Nukleotidene er i nukleinsyren bundet sammen via fosforsyremolekylene, som er forestret til hydroksylgruppene ved karbonatom 3 i den ene pentosen og karbonatom 5 i den neste pentosen. Kromosomer kan ha DNA-molekyler på flere hundre millioner ledd.

Man var tidlig klar over at arveanleggene var forbundet med noe i cellekjernen, men først omkring 1950 ble det gjort forsøk som viste at nukleinsyrene var bærere av arveanleggene. Det ble f.eks. vist at når visse virusarter, bakteriofager, angriper bakterier og reproduserer seg i dem, er det bare DNA-molekylet fra angriperen som trenger inn i bakteriecellen. Den informasjonen som overføres fra generasjon til generasjon, ligger med andre ord i DNA-molekylene, kodet inn som en rekkefølge av nukleotider. Et gen blir altså identisk med et stykke av et DNA-molekyl.

I 1953 kom J. D. Watson og H. C. Crick frem til at DNA-molekylene består av to polynukleotidkjeder som er tvunnet om hverandre til en dobbeltspiral, en dobbeltheliks (se figur under DNA ). Basene vender inn mot aksen, slik at basene i de to kjedene parvis står i kontakt med hverandre via hydrogenbindinger. Plass- og bindingsforholdene i heliksstrukturen tillater bare to typer av slike basekontakter, nemlig adenin (A) med tymin (T), og guanin (G) med cytosin (C). I høyere organismer finner man at DNA har bundet til seg proteiner, først og fremst histoner. Histonene danner komplekser som DNA kveiles rundt. Under celledelingen skjer det en ytterligere sterk oppkveiling av DNA-molekylene, slik at de blir synlige i lysmikroskopet.

Den romlige struktur for DNA som Watson og Crick oppdaget, kunne, som de selv påpekte, på en enkel måte forklare hvordan DNA-molekylet i prinsippet replikeres. Betrakter man dobbeltheliksen, ser man at de to trådene i heliksen svarer til hverandre. Er baserekkefølgen i den ene tråden gitt, så er den dermed gitt også for den andre. Baseparingsreglene fastlegger hele veien hvilken base som i den ene tråden står overfor en gitt base i den andre tråden. Vi sier at trådene er komplementære.

Replikasjonen starter ved at hydrogenbindingene mellom de to enkelttrådene i DNA brytes lokalt. Nye polydeoksyribonukleotidkjeder dannes ved hjelp av enzymet DNA-polymerase fra de fire deoksyribonukleosid-trifosfatene under avspaltning av pyrofosfat. Trinn for trinn syntetiseres to nye polydeoksyribonukleotidkjeder, komplementære til de to opprinnelige DNA-trådene, som her virker som templat (modell, støpeform). Etter hvert som syntesen skrider frem, åpnes nye områder av DNA-dobbeltheliksen. Til slutt har man fått to nye dobbelthelikser som er identiske med hverandre, og identiske med den opprinnelige dobbeltheliksen. Denne form for DNA-syntese kalles semikonservativ replikasjon, fordi hver av de to datter-DNA-dobbeltheliksene inneholder en nysyntetisert DNA-tråd og en DNA-tråd fra den opprinnelige DNA-dobbeltheliksen. Replikasjon etter denne modellen gir samtidig en atskillelse av de nye DNA-dobbeltheliksene. Prosessen er i virkeligheten atskillig mer komplisert. Det deltar proteiner som hjelper til med opptvinning av spiralen. DNA-syntesen skjer i form av biter som senere kobles sammen. Forut for denne syntesen skjer det syntese av en RNA-bit, en primer, som danner startpunktet for DNA-syntesen. Dette RNA fjernes så, og erstattes med DNA.

Bakterier har ringformede DNA-molekyler på ca. 4 millioner basepar, der duplikeringen starter på et bestemt sted og forplanter seg i begge retninger. I høyere organismer er det flere startpunkter innen hvert DNA-molekyl, noe som er nødvendig for at alt DNA skal rekke å bli duplikert før cellen deler seg. Deler av enzymapparatet som deltar i duplikeringen, griper også inn, sammen med visse andre enzymer, når DNA-molekyler skades ved feilkopiering, stråling eller kjemikalier. Herved reduseres muligheten for mutasjoner, svulster eller celledød.

RNA finnes i cellene som enkelttrådede polymerer. Det dannes ved en lignende prosess som DNA-replikasjonen, ved den såkalte transkripsjon. En av DNA-trådene i en dobbeltheliks fungerer som templat sammen med enzymet RNA-polymerase og de fire ribonukleosidtrifosfatene adenosin-, guanosin-, cytidin- og uridintrifosfat. RNA-polymerasen får DNA-dobbeltheliksen til å åpne seg midlertidig i et lite område. I alle celler dannes det tre hovedtyper av RNA:

Messenger-RNA, mRNA (budbærer-RNA), inneholder informasjon om aminosyresekvensen i de forskjellige proteiner.

Ribosom-RNA, rRNA, en gruppe RNA-molekyler som er med på å bygge opp cellens proteinsyntetiserende apparat, ribosomene.

Transportør-RNA, tRNA, deltar i proteinsyntesen ved å føre aminosyrene til ribosomene.

MRNA og rRNA er høymolekylære forbindelser med fra noen hundre til flere tusen nukleotider, mens tRNA har ca. 80 nukleotider i kjeden. Informasjonsgangen i cellen er som vist i skjemaet (fig 1).

Syntesen av proteiner på ribosomene, dirigert av mRNA, kalles translasjon (oversettelse), fordi det som foregår er en oversettelse av den informasjon som foreligger som en nukleotidrekkefølge i DNA og mRNA til en aminosyrerekkefølge i en tilsvarende polypeptidkjede. Polynukleotidkjeden svarer direkte til polypeptidkjeden, slik at en gruppe på 3 nabonukleotider, et kodon, koder for én aminosyre.

I denne oversettelsesprosessen spiller tRNA-molekylene en nøkkelrolle. Et tRNA-molekyl er slik utformet at det blir forbundet med en bestemt aminosyre i den ene enden. I den andre enden finnes en løkke, antikodonløkken, som er komplementær til denne aminosyrens kodon. Når dette kodon i et mRNA kommer til avlesning på ribosomet, holdes den rette aminosyren fast, via sitt tRNA, som med antikodonløkken danner AU- og GC-basepar med kodonet. (U i RNA har samme egenskap som T i DNA.) Et tRNA-molekyl med antikodonet AAA vil da bindes til et mRNA når tripletten UUU skal avleses. Det dannes så peptidbinding til naboaminosyren, holdt i stilling av sitt tRNA.

Genene i høyere organismer er mosaikker av kodende og ikke-kodende DNA-områder. Disse kalles hhv. eksoner og introner. Det RNA som RNA-polymerasen danner, det såkalte primære transkript, må derfor behandles slik at RNAet som svarer til intronene, kuttes ut, og resten spleises sammen. Ved overgangen mellom eksoner og introner finnes bestemte nukleotider som enzymene i spleiseapparatet gjenkjenner. Ekson/intron-strukturen kan ha vært en fordel ved utviklingen av komplekse gener fra enklere gener.

I tillegg til disse klassiske RNA-familiene, rRNA, mRNA og tRNA, har senere forskning vist at det også dannes RNA-molekyler med helt andre funksjoner. RNA-molekyler inngår i spleisosomene som står for fjerningen av introner som er beskrevet ovenfor, se også RNA-spleising. Både i ribosomene og i spleisosomene spiller RNA-molekylene en aktiv, katalytisk rolle tilsvarende den proteiner spiller i de fleste andre prosessene i cellen, se ribozymer. Små RNA-molekyler viser seg også å ha innflytelse på regulering av genaktivitet på alle nivåer, både når det gjelder avlesningen av genene, levetiden til det mRNA som dannes ved avlesningen, og effektiviteten av ribosomenes syntese av proteiner med mRNA som templat. Se antisense-oligonukleotider og RNA-interferens. Dobbeltrollen som RNA-molekyler spiller, både bærere av genetisk informasjon og molekyler med evnen til å katalysere biologiske prosesser, har fått mange til å tenke seg at RNA må ha spilt en sentral rolle tidlig i livets utvikling, den såkalte «RNA world-hypotesen».

Såfremt det ikke dreier seg om celler i vekst, balanseres syntesen av nukleinsyrer av en tilsvarende nedbrytning. Nukleinsyrene angripes av ekso- og endonukleaser, som angriper henholdsvis fra enden og inne i molekylene. De produserer kortere polynukleotider og frie nukleotider. Nukleotidaser avspalter fosforsyre fra nukleotidene, og til sist fjernes pentosen. Nukleinsyrer som tas inn i føden, nedbrytes på en tilsvarende måte av enzymer i fordøyelseskanalen.