Og selv om DNA’s struktur ikke var kendt, havde DNA’s grundlæggende byggesten været kendt i mange år. Grundelementerne i DNA var blevet isoleret og bestemt ved delvis opsplitning af renset DNA. Disse undersøgelser viste, at DNA kun består af fire grundmolekyler kaldet nukleotider, som er identiske, bortset fra at de hver især indeholder en anden nitrogenbase. Hver nukleotid indeholder fosfat, sukker (af typen deoxyribose) og en af de fire baser (figur 8-4). Når fosfatgruppen ikke er til stede, danner basen og deoxyribose et nukleosid i stedet for et nukleotid. De fire baser er adenin,guanin, cytosin og thymin. Nukleotidernes fulde kemiske navne er deoxyadenosin5′-monofosfat (deoxyadenylat eller dAMP), deoxyguanosin5′-monofosfat (deoxyguanylat), deoxyguanosin5′-monofosfat (deoxyguanylat, eller dGMP), deoxycytidin 5′-monofosfat (deoxycytidylat, ordCMP) og deoxythymidin 5′-monofosfat (deoxythymidylat, eller dTMP). Det er dog mere praktisk blot at henvise til hvert nukleotid ved forkortelsen af dets base (henholdsvis A, G, C og T). To af baserne, adenin og guanin, ligner hinanden i struktur og kaldes puriner. De to andre baser, cytosin og thymin, er også ens og kaldes pyrimidiner.
Figur 8-4
Kemisk struktur af de fire nukleotider (to med purinbaser og to med pyrimidinbaser), som er de grundlæggende byggesten i DNA.Sukkeret kaldes deoxyribose, fordi det er en variant af et almindeligt sukker, ribose, der har et ilt mere (mere…)
Når det blev klart, at DNA spiller en central rolle for arvelighed, satte mange forskere sig for at bestemme DNA’s nøjagtige struktur. Hvordan kan et molekyle med et så begrænset antal forskellige bestanddele lagre de mange forskellige oplysninger om alle de primære proteinstrukturer i den levende organisme? De første, der lykkedes med at sætte byggestenene sammen og finde en rimelig DNA-struktur – Watson og Crick i 1953 – arbejdede ud fra to slags spor. For det første havde Rosalind Franklin og Maurice Wilkins indsamlet røntgendiffraktionsdata om DNA’s struktur. I sådanne eksperimenter affyres røntgenstråler mod DNA-fibre, og strålernes spredning fra fiberen observeres ved at fange dem på en fotografisk film, hvor røntgenstrålerne danner pletter. Den spredningsvinkel, som hvert punkt på filmen repræsenterer, giver oplysninger om placeringen af et atom eller visse grupper af atomer i DNA-molekylet. Denne procedure er ikke let at udføre (eller at forklare), og fortolkningen af pletmønstrene er meget vanskelig. De foreliggende data tyder på, at DNA er langt og tyndt, og at det har to ensartede dele, der er parallelle med hinanden og løber langs molekylets længde. Røntgendataene viste, at molekylet er spiralformet (spiralagtigt). Der var andre uregelmæssigheder i pletmønstrene, men ingen havde endnu tænkt på en tredimensionel struktur, der kunne forklare netop disse pletmønstre.
Det andet sæt ledetråde, som Watson og Crick havde til rådighed, kom fra et arbejde, som Erwin Chargaff havde udført flere år tidligere. Ved at studere et stort udvalg af DNA’er fra forskellige organismer (tabel 8-1) opstillede Chargaff visse empiriske regler for mængden af hver enkelt komponent i DNA:
Tabel 8-1
Molære egenskaber af baser* i DNA’er fra forskellige kilder.
Den samlede mængde pyrimidinnukleotider (T + C) er altid lig med den samlede mængde purinnukleotider (A + G).
Mængden af T er altid lig med mængden af A, og mængden af C er altid lig med mængden af G. Men mængden af A + T er ikke nødvendigvis lig med mængden af G + C, som det fremgår af den sidste kolonne i tabel 8-1. Dette forhold varierer mellem forskellige organismer.
Dobbelt helix
Den struktur, som Watson og Crick udledte af disse ledetråde, er en dobbelt helix, der ligner to sammenkædede sengefjedre. Hvert sengefjeder (helix) er en kæde af nukleotider, der holdes sammen af fosfodiesterbindinger, hvor en fosfatgruppe danner en bro mellem -OH-grupper på to tilstødende sukkerrester. De to “sengefjedre” (helixer) holdes sammen af hydrogenbindinger, hvor to elektronegative atomer “deler” en proton mellem baserne. Hydrogenbindinger dannes mellem hydrogenatomer med en lille positiv ladning og acceptatomer med en lille negativ ladning. For eksempel,
Hvert hydrogenatom i NH2-gruppen er lidt positivt (δ+), fordi nitrogenatomet har en tendens til at tiltrække elektronerne fra N-H-bindingen og dermed efterlader hydrogenatomet lidt for få elektroner. Oxygenatomet har seks ubundne elektroner i sin ydre skal, hvilket gør det svagt negativt (δ -). Der dannes en brintbinding mellem det ene H og O. Brintbindinger er ret svage (kun ca. 3 % af styrken af en kovalent kemisk binding), men denne svaghed spiller (som vi skal se) en vigtig rolle for DNA-molekylets funktion i arveligheden. En anden vigtig kemisk kendsgerning er, at hydrogenbindingen er meget stærkere, hvis de deltagende atomer “peger mod hinanden” i de ideelle orienteringer.
Ved hydrogenbindingerne dannes af baserpar og er angivet med stiplede linjer i figur 8-5, som viser en del af denne parvise struktur med spiralerne oprullet. Hvert basepar består af en epurinbase og en pyrimidinbase, parret i henhold til følgende regel: I figur8-6, som er et forenklet billede af spolen, er hvert basepar repræsenteret ved en “pind” mellem kædernes “bånd” eller såkaldte sukker-fosfat-bakkeben. I figur 8-5 bemærkes det, at de to backbones løber i modsat retning; de siges således at være antiparallelle, og (af grunde, der fremgår af figuren) kaldes den ene 5′ → 3′-streng og den anden 3′ → 5′-streng.
Figur 8-5
DNA-dobbeltspiralen, udrullet for at vise sukker-fosfat-ryggen (blå) og basepar-ryggen (rød). Rygsøjlerne løber i modsatrettede retninger; 5′- og 3′-enderne er navngivet efter orienteringen af5′- og 3′-kulstofatomerne (mere…)
Figur 8-6
En forenklet model, der viser DNA’s spiralformede struktur. Stikkene repræsenterer baseparrene, og båndene repræsenterer sukker-fosfat-bakkerne i de to antiparallelle kæder. De forskellige målinger er angivet i angstrom (1 Å = 0,1 (mere…)
Dobbeltspiralen svarede fint til røntgendataene og passede meget godt til Chargaffs data. Ved at studere de modeller, som de lavede af strukturen, indså Watson ogCrick, at den observerede radius af dobbeltspiralen (kendt fra røntgendataene) ville blive forklaret, hvis en purinbase altid danner par (ved hydrogenbinding) med en pyrimidinbase (figur8-7). En sådan pardannelse ville forklare den (A + G) = (T + C) regelmæssighed, som Chargaff havde observeret, men den ville forudsige fire mulige pardannelser: Chargaffs data viser imidlertid, at T kun danner par med T og C kun danner par med G. Watson og Crick viste, at kun disse to pardannelser har den nødvendige komplementære “lås og nøgle”-form for at muliggøre en effektiv hydrogenbinding (figur 8-8).
Figur 8-7
Den parring af puriner med pyrimidiner forklarer nøjagtigt diameteren af DNA-dobbeltspiralen bestemt ud fra røntgendata. (FraR. E. Dickerson, “The DNA Helix and How It Is Read.” Copyright ©1983 af Scientific American, Inc. (mere…)
Figur 8-8
Lock-and-key hydrogenbinding mellem A og T og mellem G ogC. (Fra G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 af W. H. Freeman andCompany.)
Bemærk, at G-C-parret har tre hydrogenbindinger, mens A-T-parret kun har to. Vi ville forudsige, at DNA, der indeholder mange G-C-par, ville være mere stabilt end DNA, der indeholder mange A-T-par. Denne forudsigelse er faktisk bekræftet. DNA-strukturen forklarer Chargaffs data (figur 8-9), og denne struktur stemmer overens med røntgendataene.
Figur 8-9
(a) En rumopfyldende model af DNA-dobbeltspiralen. (b) En afviklet repræsentation af en kort strækning af nukleotidpar, der viser, hvordanA-T- og G-C-parring giver Chargaff-forholdet. Denne model er afen af flere former for DNA, kaldet (mere…)
Tredimensionelt billede af dobbeltspiralen
I tre dimensioner danner baserne ret flade strukturer, og disse flade baser stabler sig delvist oven på hinanden i dobbeltspiralens snoede struktur.Denne stabling af baser bidrager i høj grad til molekylets stabilitet ved at udelukke vandmolekyler fra mellemrummene mellem baseparrene. (Dette fænomen minder meget om den stabiliserende kraft, som man kan mærke, når man presser to glasplader sammen under vandet og derefter forsøger at skille dem ad.) Senere blev det indset, at der var to former for DNA i den fiber, der blev analyseret ved diffraktion. A-formen er mindre hydreret end B-formen og er mere kompakt. Man mener, at B-formen afDNA er den form, der findes hyppigst i levende celler.
Den stabling af baseparrene i dobbeltspiralen resulterer i to riller i sukker-fosfat-ryggen. Disse riller kaldes de store og små riller og kan let ses i den rumfyldte (tredimensionelle) model i figur8-9a.
Implikationer af DNA’s struktur
Opklaringen af DNA’s struktur vakte stor begejstring i genetik (og på alle områder af biologien) af to grundlæggende årsager. For det første tyder strukturen på en indlysende måde, hvorpå molekylet kan duplikeres eller replikeres, idet hver base kan specificere sin komplementærbase ved hjælp af hydrogenbinding. Denne væsentlige egenskab ved et genetisk molekyle har indtil da været et mysterium. For det andet antyder strukturen, at denne rækkefølge af nukleotidpar i DNA måske dikterer rækkefølgen af aminosyrer i det protein, der er organiseret af det pågældende gen. Med andre ord kan en slags genetisk kode skrive information i DNA som en sekvens af nukleotidpar og derefter oversætte den til et andet sprog af aminosyresekvenser i protein.
Disse grundlæggende oplysninger om DNA er nu velkendte for næsten alle, der har læst en lærebog i biologi i folkeskolen eller gymnasiet, eller endda blade og aviser.Men prøv at sætte dig tilbage på scenen i 1953 og forestil dig spændingen.Indtil da havde beviserne for, at det uinteressante DNA var det genetiske molekyle, været skuffende og nedslående. Men DNA’s Watson-Crick-struktur åbnede pludselig mulighed for at forklare to af de største “hemmeligheder” i livet. James Watson fortalte historien om denne opdagelse (fra sit eget synspunkt, som blev stærkt anfægtet af andre deltagere) i en fascinerende bog med titlen The Double Helix, som afslører det indviklede samspil mellem personlighedskollisioner, kloge indsigter, hårdt arbejde og simpelt held i så vigtige videnskabelige fremskridt.
Alternative strukturer
Ud over DNA’s A- og B-former blev der fundet en ny form i krystaller af syntetisk fremstillet DNA, der indeholder skiftevis G’er og C’er på den samme streng. Denne Z-DNA-form har en zigzag-lignende rygsøjle og danner en venstrehåndet helix, hvorimod både A- og B-DNA danner højrehåndede helixer.