Definition
Double Helix är en term som används för att beskriva formen på vår arvsmolekyl, DNA. Denna omedelbart igenkännbara struktur består av två DNA-strängar som är tvinnade runt varandra och förbundna i mitten genom vätebindning. Vätgasbindningarna bildas mellan nukleotider – den repetitiva enheten i DNA och språket i den genetiska koden.
DNA:s dubbelhelixstruktur avslöjades i banbrytande forskning som tillskrivs James Watson och Francis Crick på 1950-talet. Detta fynd anses vara ett av de viktigaste framstegen inom biologin hittills. Historien om upptäckten av DNA:s dubbelspiral har också en del kontroverser kopplade till sig, med påståenden om att de inblandade forskarna misslyckades med att erkänna andras bidrag, nämligen Rosalind Franklin.
En översikt över DNA:s struktur
Varje DNA-sträng består av en serie upprepade enheter som kallas nukleotider. Därför kallas varje DNA-sträng för en polynukleotid. Dessa nukleotider består av tre komponenter:
- ett femkolssocker (deoxyribose)
- en fosfatgrupp
- en kvävebaserad bas
Det fjärde kolet i deoxyribose-sockret från en nukleotid bildar en fosfodiester-bindning med fosfatgruppen i den närliggande basen. Detta utgör grunden för socker-fosfat-ryggraden i DNA-strängen.
De kvävehaltiga baserna är DNA:s ”språk”. Det finns fyra kvävebaser i DNA: guanin (G), adenin (A), tymin (T) och cytosin (C). De kan delas in i två grupper utifrån sin struktur. Guanin och adenin är puriner, med en kvävering med två kol, och tymin och cytosin är pyrimidiner, med en kvävering med ett kol.
Kombinationen av dessa fyra bokstäver i DNA-molekyler är vad vi kallar för den genetiska koden, och denna kod innehåller alla instruktioner för att bygga och driva en hel organism!
Varje av dessa polynukleotidsträngar är parade med en komplementär sträng och lindar sig runt varandra för att bilda dubbelhelixstrukturen. Hur upptäcktes denna komplexa struktur?
Upptäckten av DNA:s dubbelhelixstruktur
Upptäckten av DNA:s dubbelhelixstruktur är ett av de viktigaste och mest kända vetenskapliga genombrotten. Upptäckten tillskrivs James Watson, en biolog, och Francis Crick, en fysiker, på 1950-talet. De fick senare Nobelpriset för sin forskning, tillsammans med Maurice Wilkins, som ofta förbises för sin viktiga roll i den forskning som ledde till genombrottet. Faktum är att hans självbiografi har titeln ”The Third Man of the Double Helix”.
Före offentliggörandet av deras upptäckter hade mycket forskning redan utförts, och en del ljus kastats, på DNA:s sammansättning. Man visste till exempel redan att DNA består av nukleotider och att förhållandet mellan puriner: pyrimidiner i en DNA-molekyl är lika stort (känd som Chargaffs regel).
Watson och Crick härledde sin modell genom att sätta in dessa bevis, samt röntgenkristallografiska data som samlats in av Rosalind Franklin, i en struktur som uppfyllde parametrarna för alla de tidigare insamlade bevisen. De använde en serie kartongmodeller och konstruerade dem noggrant tills de bildade en struktur som var begriplig. Genom detta skapade de en modell som i stort sett anses vara korrekt årtionden senare. Du kan läsa den ursprungliga artikeln, komplett med kommentarer, här.
När de hade avslutat sin forskning ska de ha haft ett ”eureka”-ögonblick, och Crick sprang till sin lokala pub i Cambridge för att tillkännage att han och Watson hade ”upptäckt livets hemlighet”.
Pubben, som kallades The Eagle, satte upp en plakett inuti och en utanför för att fira händelsen. Plaketten ändrades en gång av en medlem av allmänheten, som lade till ”+ Franklin som ett erkännande av den viktiga roll som Rosalind Franklin spelade!
Funktionerna hos DNA:s dubbelhelixstruktur
Några av de viktiga funktionerna hos Watson/Crick-modellen av DNA:s dubbelhelix är:
Helixens riktningsbestämning
En enskild DNA-molekyl består av två strängar som vrider sig runt varandra för att bilda en helix. Helixen vrider sig ungefär en gång var tionde nukleotid. Helixens riktning är nästan alltid högerhänt, dvs. om man föreställer sig de två strängarna som en spiraltrappa som man ska gå ner för, måste man svänga till höger för att gå nedåt. Helixens utsida innehåller DNA-strängarna och helixens kärna innehåller kvävebaserna.
Komplementär basparning
När nukleotiderna från varje sträng genomgår vätebindning gör de det på ett särskilt sätt. Adeniner är alltid parade med thyminer och cytosiner och alltid parade med guaniner. Det finns tre vätebindningar mellan guanin och cytosin och två vätebindningar mellan thymin och guanin. Därför sägs DNA-strängar vara komplementära till varandra.
Genetisk kod
Nukleotidsekvensen varierar mellan organismer och är det som innehåller den genetiska informationen och gör varje organism unik. DNA-sekvensen fortplantas mellan generationer. DNA-sekvensen är således väsentlig för livets fortlevnad.
Antiparallell orientering
DNA-strängarna löper antiparallellt till varandra. Detta innebär att i slutet av en viss molekyl slutar den ena strängen på en fosfatgrupp (kallad 5′ eftersom fosfatgruppen är knuten till det femte kolet) och den andra strängen slutar på en hydroxylgrupp (kallad 3′ eftersom OH-gruppen är knuten till det tredje kolet). Det motsatta gäller för den andra änden av molekylen.
Major och Minor Grooves
DNA:s struktur innebär att de två strängarnas ryggrad ligger närmare varandra på den ena sidan av spiralen än på den andra. Där de är närmare varandra kallas strukturen för major groove. Där de är längre ifrån varandra kallas strukturen för det mindre spåret.
Dessa sidor är funktionellt viktiga, eftersom vissa proteiner företrädesvis binder till det större spåret. Dessa proteiner är vanligtvis faktorer som måste interagera med nukleotiderna, till exempel transkriptionsfaktorer eller DNA-replikeringsenzymer. Andra proteiner som inte kräver sekvensspecificitet kommer däremot att interagera med det mindre spåret.
Det avvecklande enzymet
För att DNA ska kunna föras vidare till nästa generation måste det kopieras. För att kunna replikeras på ett trovärdigt sätt måste dubbelhelixen avvecklas eller packas upp, så att cellmaskineriet får tillgång till nukleotidsekvensen. Denna uppackning åstadkoms av enzymet helicas.
Helicasets funktion är att omforma DNA:s struktur genom att bryta vätebindningarna mellan de parade nukleotiderna. DNA-helikas är också viktigt vid reparation av DNA-skador och vid transkriptionsprocessen.
Alternativa DNA-strukturer
Watson och Cricks modell hänvisar till den vanligaste strukturen av DNA, kallad B-DNA. Ytterligare två konformationer av DNA är mycket mer sällsynta i naturen: Z-DNA och A-DNA. Z-DNA är en vänsterhänt spiral utan starka skillnader som definierar större och mindre spår. A-DNA har en mycket mer likartad struktur som B-DNA men är mer komprimerad och kompakt.