Molekylärbiologi: DNA-struktur, Replikation, Translation och Genreglering

1. DNA-struktur och den genetiska koden

1A. Nukleotidens uppbyggnad

En nukleotid i DNA utgörs av en fosfatgrupp, deoxiribos och en kvävebas. De kvävebaser som ingår är adenin (A), tymin (T), cytosin (C) och guanin (G).

1B. Den genetiska kodens redundans

Den genetiska koden innehåller redundans (degenerering), vilket gör att många olika kodon kan koda för samma aminosyra. Detta beror på att det finns 64 kodon men endast 20 aminosyror som kodas.

1C. Klyftor i DNA: Major groove och Minor groove

Det finns två typer av klyftor i DNA-dubbelhelixen: major groove och minor groove. Major groove exponerar fler funktionella grupper från kvävebaserna, vilket gör att transkriptionsfaktorer och regulatoriska proteiner lättare kan identifiera specifika DNA-sekvenser. Därför sker mycket av cellens genreglering via just major groove.

2. DNA-replikation och mutationer

2A. Replikationsenzymer

• Helikas: Bryter kvävebasernas vätebindningar och öppnar upp DNA-dubbelhelixen.
• DNA-polymeras: Syntetiserar den nya DNA-strängen genom att lägga till nukleotider i 5’→3’-riktning.

2B. Leading strand och Lagging strand

Eftersom DNA-polymeras endast kan lägga till nukleotider vid 3’-änden, syntetiseras DNA alltid i 5’→3’-riktning. Som följd kopieras leading strand kontinuerligt, medan lagging strand syntetiseras diskontinuerligt i korta s.k. Okazaki-fragment. Lagging strand kräver ständigt nya start- och stoppsekvenser, vilket ger fler tillfällen för fel som ökar risken för mutationer samt kräver fler RNA-primers som i sin tur leder till fler reparationsprocesser.

2C. Konsekvenser av basutbyten

När en kvävebas substitueras leder det inte alltid till ett aminosyrautbyte. Detta beror på den genetiska kodens redundans, där flera kodon kodar för samma aminosyra. Mutationer i det tredje basparet (wobble-positionen) ändrar ofta inte aminosyran. Dessutom ger aminosyror inom samma kemiska grupp ofta endast små funktionella skillnader i proteinet vid utbyte.

3. RNA, translation och genuttrycksreglering

3A. Skillnader mellan DNA och RNA

• Socker: DNA har deoxiribos, medan RNA har ribos.
• Kvävebaser: DNA innehåller adenin, tymin, guanin, cytosin (A, T, G, C); RNA innehåller adenin, uracil, guanin, cytosin (A, U, G, C).

3B. Translationsprocessen

mRNA binder till ribosomen, varpå tRNA med korrekt antikodon levererar motsvarande aminosyra. Aminosyrorna länkas samman med peptidbindningar och ribosomen rör sig längs mRNA tills ett stoppkodon signalerar att translationen är klar.

• Translationen av cytosoliska proteiner sker på fria ribosomer i cytoplasman.
• Proteiner som ska utsöndras eller infogas i membran syntetiseras på ribosomer bundna till det endoplasmatiska nätverket (ER).

3C. Regleringsnivåer: Translationell vs Transkriptionell reglering

mRNA:s translation kan blockeras av miRNA eller specifika proteiner, vilket hindrar ribosomen från att starta translationen. Ett exempel är hur ferritin regleras av järnnivåer: IRE-BP binder till mRNA och hämmar translationen vid låga järnnivåer.

Jämförelse av regleringsmekanismer

• Transkriptionell reglering:
  • Styr hur mycket mRNA som bildas.
  • Sker i cellkärnan.
  • Sparar energi men är en mer långsam process.
  • Mest användbar för att gradvis minska cellens proteinproduktion och spara resurser.
• Translationell reglering:
  • Kontrollerar hur effektivt befintligt mRNA översätts.
  • Sker i cytoplasman.
  • Ger en omedelbar och dynamisk respons.
  • Passar bäst när proteinmängden snabbt måste anpassas till cellens akuta behov.

4. Transposoner och eukaryot genreglering

4A. Transposoner

Transposoner är mobila DNA-sekvenser (”hoppande gener”) som kan byta plats i genomet med hjälp av enzymet transposas.

4B. Transposoner och antibiotikaresistens

Transposoner kan bära på gener som kodar för antibiotikaresistens och förflytta sig mellan plasmider och kromosomer. De sprids mellan bakterier via horisontell genöverföring, vilket driver på resistensutvecklingen och spridningen av multiresistenta stammar.

4C. Reglering av eukaryot transkription

Reglering av transkription hos eukaryoter sker främst genom att styra var och när RNA-polymeras initierar transkriptionen:

• Enhancers: DNA-sekvenser där aktivatorproteiner binder; dessa stimulerar transkriptionen genom att rekrytera RNA-polymeras.
• Silencers: DNA-sekvenser där repressorer binder; dessa dämpar eller stänger av transkriptionen.

Kromatinets struktur och epigenetisk reglering

Kromatinstruktur och kemiska modifieringar påverkar transkriptionsfaktorernas åtkomst till DNA:

• Heterokromatin: Tätt packat kromatin som leder till låg eller blockerad transkription.
• Eukromatin: Öppen kromatinstruktur som medger hög transkriptionell aktivitet.
• DNA-metylering: Tystar gener genom att förhindra transkription.
• Histonacetylering: Luckrar upp kromatinet och aktiverar därmed genuttryck.

5. Genomorganisation och proteinnedbrytning

5A. Skillnader mellan däggdjurs och bakteriers genom

• Däggdjur (eukaryoter): Har linjärt DNA, ett stort antal introner samt DNA packat med histoner i kromatin (nukleosomer).
• Bakterier (prokaryoter): Har oftast cirkulärt DNA, saknar nukleosomer/histonkomplex och bär ofta extrakromosomalt DNA i form av plasmider.

5B. Genomisk prägling (Genomic Imprinting)

Genomisk prägling innebär att ett genuttryck är beroende av från vilken förälder genen har ärvts. Endast moderns eller faderns allel uttrycks, medan den motsatta allelen inaktiveras via epigenetiska mekanismer såsom DNA-metylering.

5C. Ubiquitin–proteasomsystemet för proteinnedbrytning

1. Proteiner som ska brytas ned märks först kovalent med små ubiquitinmolekyler. Detta sker stegvis med hjälp av enzymerna E1, E2 och E3.
2. När proteinet har blivit polyubiquitinerat känns det igen och transporteras till proteasomen.
3. Proteasomen fungerar som cellens molekylära avfallskvarn och bryter ned proteinet till kortare peptider.
4. Det centrala enzymet i regleringen är ubiquitinligas E3, eftersom det är detta enzym som avgör substratspecificiteten och därmed bestämmer exakt vilka proteiner som ska märkas för destruktion.