A7.2 DNA-strengen

Supplerende stof

Kapitel A7 er et temakapitel og ligger uden for kernestoffet. Dette afsnit bruger kondensation og hydrolyse fra afsnit A3.3, syrebrøken fra afsnit A1.7 og ion-ionbindinger fra afsnit A6.1.

NoteDet skal du kunne
  • beskrive, hvordan nucleotider bindes sammen til en streng
  • forklare, hvad 5′-enden og 3′-enden er, og skrive en rækkefølge af baser
  • forklare, hvorfor DNA er en syre og er negativt ladet ved pH 7
  • forklare, hvordan positive ioner og proteiner binder sig til DNA
  • forklare, hvordan stykker af DNA kan skilles ad efter længde

Et nucleotid alene gemmer ingen oplysninger. Det gør først en lang kæde, hvor de fire baser står i en bestemt rækkefølge, som bogstaverne i en tekst. Kæden er holdt sammen af en binding, der både gør DNA holdbart og giver hele molekylet en ladning.

Nucleotider bindes sammen

To nucleotider reagerer med hinanden ved en kondensation. OH-gruppen på carbonatom 3′ i det ene nucleotid reagerer med phosphatgruppen på det andet, og et vandmolekyle fraspaltes.

Figur 1: To nucleotider bliver til ét molekyle.

Phosphatgruppen er nu bundet til to sukkergrupper med en esterbinding til hver side. Det kaldes en phosphodiesterbinding. Det nye molekyle har stadig en fri OH-gruppe på carbonatom 3′, så reaktionen kan gentages igen og igen.

Den modsatte reaktion er en hydrolyse, hvor vand spalter esterbindingen. Ved pH 7 er den så langsom, at en DNA-streng kan holde i tusinder af år, hvis den ligger tørt og køligt.

Strengen har en retning

Figur 2: En DNA-streng med fire nucleotider.

Sukker og phosphat skiftes til at sidde i kæden. De danner strengens rygrad, og baserne stikker ud til siden.

De to ender af strengen er forskellige:

  • 5′-enden slutter med en phosphatgruppe på carbonatom 5′.
  • 3′-enden slutter med en fri OH-gruppe på carbonatom 3′.

Rækkefølgen af baser kaldes strengens sekvens. Den skrives altid fra 5′-enden til 3′-enden, fx 5′-ATGC-3′. Strengen 5′-CGTA-3′ er et helt andet molekyle, selv om bogstaverne er de samme læst bagfra.

Hvorfor hedder det en syre?

Phosphatgruppen i rygraden har én OH-gruppe tilbage. Den er sur, og den har pKs omkring 1.

Figur 3: Phosphatgruppen i rygraden som syre og base.
NoteEksempel: hvor meget er på syreform ved pH 7?

Beregn syrebrøken for phosphatgruppen i DNA’s rygrad ved pH 7,0. Brug pKs = 1,0.

Formel

Syrebrøken fra afsnit A1.7 er

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_\mathrm{s}}} \]

Beregning

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}0 - 1{,}0}} = \frac{1}{1 + 10^{6}} = 1{,}0 \cdot 10^{-6} \]

Konklusion

Kun én ud af en million phosphatgrupper er på syreformen. Resten har afgivet deres hydron og er negativt ladede.

DNA er altså en syre, som i cellen findes helt på baseformen. Hvert nucleotid i strengen bærer én negativ ladning, så et DNA-molekyle med en million nucleotider har en million negative ladninger.

Ladningerne skal have selskab

Så mange negative ladninger frastøder hinanden. DNA er derfor altid omgivet af positive ioner.

  • Metalioner. Na+ og Mg2+ fra opløsningen lægger sig omkring phosphatgrupperne.
  • Proteiner. I cellekernen er DNA viklet om proteiner, der hedder histoner. De har mange sidekæder fra lysin og arginin, som er positivt ladede ved pH 7. Sidekæderne holder fast i phosphatgrupperne med ion-ionbindinger, præcis som mellem et enzym og dets substrat i afsnit A6.1.

Det er ion-ionbindingerne til histonerne, der gør det muligt at pakke 2 meter DNA ned i en cellekerne, der er nogle få tusindedele millimeter bred.

Stykker af DNA skilles ad efter længde

Fordi hvert nucleotid har én negativ ladning, har alle DNA-stykker samme ladning pr. længde. Det udnyttes i gelelektroforese.

Figur 4: Gelelektroforese af DNA.

Prøverne sættes i små brønde i en plade af gelé, og der sættes spænding over pladen. Det negativt ladede DNA vandrer mod pluspolen. Geléen er et net af lange molekyler, og korte DNA-stykker smutter lettere gennem nettet end lange. Efter en times tid ligger stykkerne sorteret efter længde, de korteste længst fremme.

En markør med stykker af kendt længde køres ved siden af prøverne. Sammenligner man med markøren, kan man aflæse, hvor lange prøvens stykker er. Metoden minder om chromatografi fra afsnit A6.5: stofferne skilles ad, fordi de bevæger sig med forskellig fart.

VigtigtTil den skriftlige prøve
  • Kan du genkende en esterbinding og en kondensation i et stort molekyle, kan du også gøre det i DNA.
  • Skal du afgøre ladningen på en gruppe ved en bestemt pH, så sammenlign pH med pKs: er pH højere end pKs, er gruppen mest på baseformen.
  • Skal du forklare, hvordan et protein binder sig til DNA, så nævn de to ladede grupper og bindingens navn: ion-ionbinding.
NoteKort sagt
  • Nucleotider bindes sammen ved kondensation, og bindingen hedder en phosphodiesterbinding.
  • Sukker og phosphat danner strengens rygrad, og baserne stikker ud til siden.
  • Sekvensen skrives fra 5′-enden til 3′-enden.
  • Phosphatgrupperne har pKs omkring 1, så DNA er negativt ladet ved pH 7.
  • Positive ioner og positivt ladede sidekæder i proteiner binder sig til DNA med ion-ionbindinger.
  • I gelelektroforese vandrer DNA mod pluspolen, og korte stykker vandrer længst.