Obwohl die Struktur der DNA nicht bekannt war, waren die Grundbausteine der DNA seit vielen Jahren bekannt. Die Grundelemente der DNA wurden isoliert und durch teilweises Aufbrechen gereinigter DNA bestimmt. Diese Studien zeigten, dass die DNA aus nur vier Grundmolekülen, den so genannten Nukleotiden, besteht, die bis auf eine unterschiedliche Stickstoffbase identisch sind. Jedes Nukleotid enthält Phosphat, Zucker (vom Typ Desoxyribose) und eine der vier Basen (Abbildung 8-4). Wenn die Phosphatgruppe nicht vorhanden ist, bilden die Base und die Desoxyribose ein Nukleosid und nicht ein Nukleotid. Die vier Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Die vollständigen chemischen Bezeichnungen der Nukleotide sind Desoxyadenosin-5′-monophosphat (Desoxyadenylat oder dAMP), Desoxyguanosin-5′-monophosphat (Desoxyguanylat, oder dGMP), Desoxycytidin-5′-Monophosphat (Desoxycytidylat, oderCMP) und Desoxythymidin-5′-Monophosphat (Desoxythymidylat, oder dTMP). Es ist jedoch bequemer, jedes Nukleotid mit der Abkürzung seiner Base (A, G, C bzw. T) zu bezeichnen. Zwei der Basen, Adenin und Guanin, sind ähnlich aufgebaut und werden als Purine bezeichnet. Die beiden anderen Basen, Cytosin und Thymin, sind ebenfalls ähnlich aufgebaut und werden als Pyrimidine bezeichnet.
Abbildung 8-4
Chemische Struktur der vier Nukleotide (zwei mit Purinbasen und zwei mit Pyrimidinbasen), die die Grundbausteine der DNA sind.Der Zucker wird Desoxyribose genannt, weil er eine Abwandlung eines gewöhnlichen Zuckers, der Ribose, ist, die einen Sauerstoff mehr hat (mehr…)
Nachdem die zentrale Rolle der DNA bei der Vererbung klar wurde, machten sich viele Wissenschaftler daran, die genaue Struktur der DNA zu bestimmen. Wie kann ein Molekül mit einer so begrenzten Anzahl verschiedener Komponenten die enorme Bandbreite an Informationen über alle Protein-Primärstrukturen des lebenden Organismus speichern? Die ersten, denen es gelang, die Bausteine zusammenzusetzen und eine vernünftige DNA-Struktur zu finden – Watson und Crick im Jahr 1953 -, arbeiteten mit zwei Arten von Hinweisen. Erstens hatten Rosalind Franklin und Maurice Wilkin Röntgenbeugungsdaten zur DNA-Struktur gesammelt. Bei solchen Experimenten werden DNA-Fasern mit Röntgenstrahlen beschossen, und die Streuung der Strahlen an der Faser wird beobachtet, indem sie auf einem Fotofilm aufgefangen werden, wo die Röntgenstrahlen Flecken erzeugen. Der Streuwinkel, den jeder Punkt auf dem Film darstellt, gibt Aufschluss über die Position eines Atoms oder bestimmter Atomgruppen im DNA-Molekül. Dieses Verfahren ist nicht einfach auszuführen (oder zu erklären), und die Interpretation der Fleckenmuster ist sehr kompliziert. Die verfügbaren Daten deuten darauf hin, dass die DNA lang und dünn ist und dass sie zwei ähnliche Teile hat, die parallel zueinander verlaufen und sich über die gesamte Länge des Moleküls erstrecken. Die Röntgendaten zeigten, dass das Molekül helikal (spiralförmig) ist. Andere Unregelmäßigkeiten waren in den Fleckenmustern vorhanden, aber niemand hatte bisher an eine dreidimensionale Struktur gedacht, die nur diese Fleckenmuster erklären könnte.
Die zweite Reihe von Hinweisen, die Watson und Crick zur Verfügung standen, stammte aus Arbeiten, die einige Jahre zuvor von Erwin Chargaff durchgeführt worden waren. Bei der Untersuchung einer großen Auswahl von DNS aus verschiedenen Organismen (Tabelle 8-1) stellte Chargaff bestimmte empirische Regeln über die Mengen der einzelnen Bestandteile der DNS auf:
Table 8-1
Molar Properties of Bases* in DNAs from Various Sources.
Die Gesamtmenge der Pyrimidin-Nukleotide (T + C) ist immer gleich der Gesamtmenge der Purin-Nukleotide (A + G).
Die Menge an T ist immer gleich der Menge an A, und die Menge an C ist immer gleich der Menge an G. Aber die Menge an A + T ist nicht notwendigerweise gleich der Menge an G + C, wie in der letzten Spalte von Tabelle 8-1 zu sehen ist. Dieses Verhältnis variiert von Organismus zu Organismus.
Doppelhelix
Die Struktur, die Watson und Crick aus diesen Hinweisen ableiteten, ist eine Doppelhelix, die eher wie zwei ineinandergreifende Sprungfedern aussieht. Jede „Bettfeder“ (Helix) ist eine Kette von Nukleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen zusammengehalten wird, bei denen eine Phosphatgruppe eine Brücke zwischen den -OH-Gruppen zweier benachbarter Zuckerreste bildet. Die beiden „Bettfedern“ (Helices) werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, bei denen sich zwei elektronegative Atome zwischen den Basen ein Proton „teilen“. Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen Wasserstoffatomen mit einer geringen positiven Ladung und Akzeptoratomen mit einer geringen negativen Ladung. Beispiel:
Jedes Wasserstoffatom in der NH2-Gruppe ist leicht positiv (δ+), weil das Stickstoffatom dazu neigt, die Elektronen der N-H-Bindung anzuziehen, so dass dem Wasserstoffatom etwas Elektronen fehlen. Das Sauerstoffatom hat sechs ungebundene Elektronen in seiner äußeren Schale, wodurch es leicht negativ (δ -) ist. Zwischen einem H und dem O bildet sich eine Wasserstoffbrücke. Wasserstoffbrücken sind recht schwach (nur etwa 3 % der Stärke einer kovalenten chemischen Bindung), aber diese Schwäche spielt (wie wir noch sehen werden) eine wichtige Rolle für die Funktion des DNA-Moleküls bei der Vererbung. Eine weitere wichtige chemische Tatsache: Die Wasserstoffbrückenbindung ist viel stärker, wenn die beteiligten Atome in der idealen Ausrichtung „aufeinander zeigen“.
Die Wasserstoffbrückenbindungen werden durch Basenpaare gebildet und sind in Abbildung 8-5, die einen Teil dieser gepaarten Struktur mit abgewickelten Helices zeigt, durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Jedes Basenpaar besteht aus einer Purinbase und einer Pyrimidinbase, die nach der folgenden Regel gepaart sind: G paart sich mit C, und A paart sich mit T. In Abbildung 8-6, einer vereinfachten Darstellung der Aufrollung, wird jedes der Basenpaare durch einen „Stab“ zwischen den „Bändern“ oder den so genannten Zucker-Phosphat-Rückgraten der Ketten repräsentiert. In Abbildung 8-5 ist zu erkennen, dass die beiden Rückgrate in entgegengesetzte Richtungen verlaufen; sie werden daher als antiparallel bezeichnet, und (aus Gründen, die in der Abbildung ersichtlich sind) wird der eine Strang 5′ → 3′ und der andere Strang 3′ → 5′ genannt.
Abbildung 8-5
Die DNA-Doppelhelix, abgerollt, um die Zucker-Phosphat-Rückgrate (blau) und Basenpaar-Sprossen (rot) zu zeigen. Die Rückgrate verlaufen in entgegengesetzten Richtungen; die 5′- und 3′-Enden sind nach der Ausrichtung der 5′- und 3′-Kohlenstoffatome benannt (mehr…)
Abbildung 8-6
Ein vereinfachtes Modell, das die spiralförmige Struktur der DNA zeigt. Die Stäbchen stellen Basenpaare dar, und die Bänder repräsentieren die Zucker-Phosphat-Brücken der beiden antiparallelen Ketten. Die verschiedenen Messungen sind in Angström angegeben (1 Å = 0,1 (mehr…)
Die Doppelhelix passte gut zu den Röntgendaten und stimmte sehr gut mit den Daten von Chargaff überein. Bei der Untersuchung von Modellen, die sie von der Struktur anfertigten, stellten Watson und Crick fest, dass der beobachtete Radius der Doppelhelix (bekannt aus den Röntgendaten) erklärt werden könnte, wenn sich eine Purinbase immer (durch Wasserstoffbrückenbindungen) mit einer Pyrimidinbase paart (Abbildung 8-7). Eine solche Paarung würde die von Chargaff beobachtete Regelmäßigkeit (A + G) = (T + C) erklären, aber sie würde vier mögliche Paarungen vorhersagen: T—A, T—G, C—A und C—G. Chargaffs Daten zeigen jedoch, dass T nur mit A und C nur mit G paart. Watson und Crick zeigten, dass nur diese beiden Paarungen die notwendigen komplementären „Schloss- und Schlüssel“-Formen haben, um eine effiziente Wasserstoffbindung zu ermöglichen (Abbildung 8-8).
Abbildung 8-7
Die Paarung von Purinen mit Pyrimidinen entspricht genau dem aus Röntgendaten ermittelten Durchmesser der DNA-Doppelhelix. (Aus R. E. Dickerson, „The DNA Helix and How It Is Read“. Copyright ©1983 by Scientific American, Inc. (mehr…)
Abbildung 8-8
Die Schlüssel-Schloss-Wasserstoff-Bindung zwischen A und T und zwischen G und C. (Aus G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman andCompany.)
Man beachte, dass das G-C-Paar drei Wasserstoffbrückenbindungen hat, während das A-T-Paar nur zwei hat. Wir würden vorhersagen, dass eine DNA, die viele G-C-Paare enthält, stabiler ist als eine DNA, die viele A-T-Paare enthält. Tatsächlich wird diese Vorhersage bestätigt. Die DNA-Struktur erklärt die Daten von Chargaff (Abbildung 8-9), und diese Struktur stimmt mit den Röntgendaten überein.
Abbildung 8-9
(a) Ein raumfüllendes Modell der DNA-Doppelhelix. (b) Eine abgewickelte Darstellung einer kurzen Strecke von Nukleotidpaaren, die zeigt, wie die Paarung von A-T und G-C die Chargaff-Verhältnisse erzeugt. Dieses Modell ist eine von mehreren Formen der DNA, die als (mehr…)
Dreidimensionale Ansicht der Doppelhelix
In drei Dimensionen bilden die Basen eher flache Strukturen, und diese flachen Basen stapeln sich teilweise übereinander in der verdrehten Struktur der Doppelhelix.Diese Stapelung von Basen trägt enorm zur Stabilität des Moleküls bei, da Wassermoleküle aus den Zwischenräumen zwischen den Basenpaaren ausgeschlossen werden. (Dieses Phänomen ist vergleichbar mit der stabilisierenden Kraft, die man spürt, wenn man zwei Glasplatten unter Wasser zusammendrückt und dann versucht, sie zu trennen.)Später stellte man fest, dass es in der durch Beugung analysierten Faser zwei Formen von DNA gab. Die A-Form ist weniger hydratisiert als die B-Form und ist kompakter. Es wird angenommen, dass die B-Form der DNA die in lebenden Zellen am häufigsten vorkommende Form ist.
Die Stapelung der Basenpaare in der Doppelhelix führt zu zwei Furchen in den Zucker-Phosphat-Rückgraten. Diese Furchen werden als Haupt- und Nebenfurchen bezeichnet und sind in dem raumfüllenden (dreidimensionalen) Modell in Abbildung 8-9a gut zu erkennen.
Auswirkungen der DNS-Struktur
Die Aufklärung der DNS-Struktur sorgte in der Genetik (und in allen Bereichen der Biologie) aus zwei grundlegenden Gründen für große Aufregung. Erstens deutet die Struktur auf eine offensichtliche Art und Weise hin, wie das Molekül dupliziert bzw. vervielfältigt werden kann, da jede Base ihre Komplementärbase durch Wasserstoffbrückenbindungen spezifizieren kann. Diese wesentliche Eigenschaft eines genetischen Moleküls war bis zu diesem Zeitpunkt ein Rätsel. Zweitens deutet die Struktur darauf hin, dass diese Abfolge von Nukleotidpaaren in der DNA vielleicht die Abfolge der Aminosäuren in dem von diesem Gen organisierten Protein vorgibt. Mit anderen Worten, eine Art genetischer Code kann Informationen in die DNA als eine Sequenz von Nukleotidpaaren schreiben und sie dann in eine andere Sprache von Aminosäuresequenzen im Protein übersetzen.
Diese grundlegenden Informationen über die DNA sind heute fast jedem vertraut, der in der Grundschule oder in der High School ein Biologiebuch oder sogar Zeitschriften und Zeitungen gelesen hat.Aber versuchen Sie, sich in die Szene von 1953 zurückzuversetzen und stellen Sie sich die Aufregung vor.Bis dahin war der Beweis, dass die uninteressante DNA das genetische Molekül war, enttäuschend und entmutigend gewesen. Doch die Watson-Crick-Struktur der DNS eröffnete plötzlich die Möglichkeit, zwei der größten „Geheimnisse“ des Lebens zu erklären. James Watson erzählte die Geschichte dieser Entdeckung (aus seiner eigenen Sicht, die von anderen Beteiligten stark in Frage gestellt wurde) in einem faszinierenden Buch mit dem Titel Die Doppelhelix, das das komplizierte Zusammenspiel von Persönlichkeitskonflikten, klugen Einsichten, harter Arbeit und einfachem Glück bei solch wichtigen wissenschaftlichen Fortschritten offenbart.
Alternative Strukturen
Neben den A- und B-Formen der DNA wurde in Kristallen synthetisch hergestellter DNA eine neue Form gefunden, die abwechselnd Gs und Cs auf demselben Strang enthält. Diese Z-DNA-Form hat ein zickzackförmiges Rückgrat und bildet eine linkshändige Helix, während sowohl A- als auch B-DNA rechtshändige Helices bilden.