Vaikka DNA:n rakennetta ei tunnettukaan, DNA:n perusrakenteet olivat olleet tiedossa jo vuosia. DNA:n peruselementit oli eristetty ja määritetty rikkomalla puhdistettua DNA:ta osittain. Nämä tutkimukset osoittivat, että DNA koostuu vain neljästä perusmolekyylistä, joita kutsutaan nukleotideiksi ja jotka ovat identtisiä lukuun ottamatta sitä, että kukin sisältää eri typpiemästä. Kukin nukleotidi sisältää fosfaattia, sokeria (deoksiriboosityyppiä) ja yhtä neljästä emäksestä (kuva 8-4). Kun fosfaattiryhmää ei ole, emäs ja deoksiriboosi muodostavat pikemminkin nukleosidin kuin nukleotidin. Neljä emästä ovat adeniini, guaniini, sytosiini ja tymiini. Nukleotidien täydelliset kemialliset nimet ovat deoksiadenosiini-5′-monofosfaatti (deoksiadenylaatti tai dAMP), deoksiguanosiini-5′-monofosfaatti (deoksiguanylaatti, tai dGMP), deoksisytidiini-5′-monofosfaatti (deoksisytidylaatti, ordCMP) ja deoksitymidiini-5′-monofosfaatti (deoksitymidylaatti, dTMP). On kuitenkin kätevämpää viitata kuhunkin nukleotidiin sen emäksen lyhenteellä (A, G, C ja T). Kaksi emästä, adeniini ja guaniini, ovat rakenteeltaan samankaltaisia, ja niitä kutsutaan puriineiksi. Kaksi muuta emästä, sytosiini ja tymiini, ovat myös samankaltaisia ja niitä kutsutaan pyrimidiiniksi.
Kuva 8-4
Kemiallinen rakenne neljästä nukleotidista (kaksi puriiniemästä ja kaksi pyrimidiiniemästä), jotka ovat DNA:n perusrakennusaineita.Sokeria kutsutaan deoksiriboosiksi, koska se on muunnos yleisestä sokerista, riboosista, jossa on yksi happi enemmän (lisää…)
Kun DNA:n keskeinen rooli perinnöllisyydessä kävi selväksi, monet tutkijat ryhtyivät määrittämään DNA:n tarkkaa rakennetta. Miten molekyyli, jossa on niin rajallinen määrä erilaisia komponentteja, voi mahdollisesti tallentaa valtavan määrän tietoa kaikista elävän organismin proteiinien primaarirakenteista? Ensimmäiset, jotka onnistuivat kokoamaan rakennuspalikat yhteen ja löytämään kohtuullisen DNA:n rakenteen – Watson ja Crick vuonna 1953 – työskentelivät kahdenlaisten vihjeiden pohjalta. Ensinnäkin Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins olivat keränneet röntgendiffraktiotietoja DNA:n rakenteesta. Tällaisissa kokeissa röntgensäteitä ammutaan DNA-kuituihin, ja säteiden sirontaa kuiduista havainnoidaan vangitsemalla ne valokuvausfilmille, jossa röntgensäteet tuottavat pilkkuja. Jokaisen filmillä olevan pisteen edustama sirontakulma antaa tietoa atomin tai tiettyjen atomiryhmien sijainnista DNA-molekyylissä. Tätä menettelyä ei ole helppo toteuttaa (tai selittää), ja pistekuvioiden tulkinta on hyvin vaikeaa. Käytettävissä olevien tietojen mukaan DNA on pitkä ja ohut ja siinä on kaksi samankaltaista osaa, jotka ovat samansuuntaisia ja kulkevat molekyylin pituussuunnassa. Röntgensäteilytiedot osoittivat molekyylin olevan kierteinen (spiraalimainen). Pistekuvioissa oli muitakin epäsäännöllisyyksiä, mutta kukaan ei ollut vielä keksinyt kolmiulotteista rakennetta, joka selittäisi vain nämä pistekuviot.
Toinen joukko Watsonin ja Crickin käytettävissä olleita johtolankoja oli peräisin Erwin Chargaffin useita vuosia aiemmin tekemästä työstä. Tutkiessaan laajaa valikoimaa eri organismeista peräisin olevaa DNA:ta (Taulukko 8-1) Chargaff vahvisti tietyt empiiriset säännöt DNA:n kunkin komponentin määristä:
Taulukko 8-1
Molar Properties of Bases* in DNAs from Various Sources.
Pyrimidiininukleotidien kokonaismäärä (T + C) on aina yhtä suuri kuin puriininukleotidien kokonaismäärä (A + G).
T:n määrä on aina yhtä suuri kuin A:n määrä, ja C:n määrä on aina yhtä suuri kuin G:n määrä.
Mutta A:n + T:n määrä ei välttämättä ole yhtä suuri kuin G:n + C:n määrä, kuten Taulukon 8-1 viimeisestä sarakkeesta käy ilmi. Tämä suhde vaihtelee eri organismien välillä.
Kaksoiskierre
Rakenne, jonka Watson ja Crick johtivat näistä johtolangoista, on kaksoiskierre, joka näyttää pikemminkin kahdelta toisiinsa lukittuneelta sänkyjouselta. Kumpikin jousi (kierre) on nukleotidiketju, jota pitävät yhdessä fosfodiesterisidokset, joissa fosfaattiryhmä muodostaa sillan kahden vierekkäisen sokerijäännöksen -OH-ryhmien välille. Molemmat ”vuodejouset” (kierteet) pysyvät yhdessä emästen välisten vetysidosten avulla, joissa kaksi elektronegatiivista atomia ”jakaa” protonin. Vetysidokset muodostuvat vetyatomien, joilla on pieni positiivinen varaus, ja akseptoriatomien, joilla on pieni negatiivinen varaus, välille. Esimerkiksi,
NH2-ryhmän jokainen vetyatomi on lievästi positiivinen (δ+), koska typpiatomilla on taipumus vetää puoleensa N-H-sidoksen elektroneja, jolloin vetyatomilta puuttuu hieman elektroneja. Hapenatomilla on kuusi sitoutumatonta elektronia ulkokuorensa sisällä, mikä tekee siitä lievästi negatiivisen (δ -). Vetysidos muodostuu yhden H:n ja O:n välille.Vetysidokset ovat melko heikkoja (vain noin 3 prosenttia kovalenttisen kemiallisen sidoksen vahvuudesta), mutta tällä heikkoudella (kuten tulemme näkemään) on tärkeä rooli DNA-molekyylin toiminnassa perinnöllisyydessä. Vielä yksi tärkeä kemiallinen tosiasia: vetysidos on paljon vahvempi, jos siihen osallistuvat atomit ”osoittavat toisiaan kohti” ihanteellisessa asennossa.
Vetysidokset muodostuvat emäspareista, ja ne on merkitty katkoviivoilla kuvassa 8-5, jossa näkyy osa tästä parirakenteesta kierteettömien kierteiden kanssa. Kukin emäspari koostuu yhdestäepuriini- ja yhdestä pyrimidiini-emäksestä, jotka on paritettu seuraavan säännön mukaisesti: Kuvassa8-6, joka on yksinkertaistettu kuva kelauksesta, kukin emäspari on esitetty ”tikulla” ketjujen ”nauhojen” eli niin sanottujen sokeri-fosfaattirunkojen välissä. Kuvassa 8-5huomataan, että kaksi selkärankaa kulkevat vastakkaisiin suuntiin; niiden sanotaan siis olevan antiparalleelisia, ja (kuvasta ilmenevistä syistä) toista kutsutaan 5′ → 3′-juosteeksi ja toista 3′ → 5′-juosteeksi.
Kuva 8-5
DNA:n kaksoiskierre, joka on purettu niin, että sokeri-fosfaattirunko(sininen) ja emäspari-säikeet (punainen) näkyvät. Selkärangat kulkevat vastakkaisiin suuntiin; 5′- ja 3′-päät on nimetty 5′- ja 3′-hiiliatomien suuntauksen mukaan (lisää…)
Kuva 8-6
Yksinkertaistettu malli, jossa näkyy DNA:n kierteinen rakenne. Kepit edustavat emäspareja, ja nauhat edustavat kahden antiparalleelisen ketjun sokeri-fosfaattirunkoja. Eri mittaukset ovat angströmeinä (1 Å = 0,1 (lisää…)
Kaksoiskierre selittää hyvin röntgensäteilytiedot ja sopii hyvin yhteen Chargaffin tietojen kanssa. Tutkiessaan rakenteesta tekemiään malleja Watson jaCrick tajusivat, että kaksoiskierteen havaittu säde (joka oli tiedossa röntgensäteistä) selittyisi, jos puriiniemäs muodostaisi aina parin (vetysidoksen avulla) pyrimidiiniemäksen kanssa (kuva8-7). Tällainen pariliitos selittäisi Chargaffin havaitseman (A + G) = (T + C) säännönmukaisuuden, mutta se ennustaisi neljä mahdollista pariliitosta: T—A, T—G, C—A ja C—G. Chargaffin tiedot kuitenkin osoittavat, että T parittuu vain A:n kanssa ja C parittuu vain G:n kanssa. Watson ja Crick osoittivat, että vain näillä kahdella parityypillä on tarvittava komplementaarinen ”lukko-avain”-muoto, joka mahdollistaa tehokkaan vetysidoksen (kuva 8-8).
Kuva 8-7
Puriinien ja pyrimidiinien pariutuminen vastaa täsmälleen DNA:n kaksoiskierteen halkaisijaa, joka on määritetty röntgensäteilyaineistosta. (FromR. E. Dickerson, ”The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 by Scientific American, Inc. (lisää…)
Kuva 8-8
A:n ja T:n sekä G:n ja C:n välinen lukkiutuva vetysidos. (Teoksesta G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 by W. H. Freeman and Company).
Huomaa, että G-C-parilla on kolme vetysidosta, kun taas A-T-parilla on vain kaksi. Ennustaisimme, että DNA, jossa on paljon G-C-pareja, olisi vakaampi kuin DNA, jossa on paljon A-T-pareja. Itse asiassa tämä ennuste vahvistuu. DNA:n rakenne selittää siististi Chargaffin tiedot (kuva 8-9), ja tämä rakenne on yhdenmukainen röntgensäteilytietojen kanssa.
Kuva 8-9
(a) DNA:n kaksoiskierteen tilaa täyttävä malli. (b) Nukleotidiparien lyhyen pätkän purettu esitys, josta näkyy, mitenA-T- ja G-C-paritus tuottaa Chargaffin suhdeluvut. Tämä malli on yksi monista DNA:n muodoista, joita kutsutaan (lisää…)
Kaksoiskierteen kolmiulotteinen näkymä
Kolmiulotteisesti emäkset muodostavat melko litteitä rakenteita, ja nämä litteät emäkset kasaantuvat osittain toistensa päälle kaksoiskierteen kieroutuneessa rakenteessa.Tämä emästen pinoaminen lisää huomattavasti molekyylin vakautta, koska se sulkee vesimolekyylit pois emäsparien välisistä tiloista. (Tämä ilmiö muistuttaa hyvin paljon sitä vakauttavaa voimaa, jonka voit tuntea, kun puristat kaksi lasilevyä yhteen veden alla ja yrität sitten erottaa ne toisistaan.) Myöhemmin huomattiin, että diffraktiolla analysoidussa kuidussa oli kaksi DNA:n muotoa. A-muoto on vähemmän hydratoitunut kuinB-muoto ja tiiviimpi. Uskotaan, ettäDNA:n B-muoto on se muoto, jota tavataan eniten elävissä soluissa.
Kaksoiskierteen emäsparien pinoaminen johtaa kahteen uraan sokeri-fosfaattirungossa. Näitä uria kutsutaan suuremmaksi ja pienemmäksi uraksi, ja ne ovat helposti nähtävissä tilan täyttävässä (kolmiulotteisessa) mallissa kuvassa8-9a.
DNA:n rakenteen vaikutukset
DNA:n rakenteen selvittäminen aiheutti paljon innostusta genetiikassa (ja kaikilla biologian aloilla) kahdesta perussyystä. Ensinnäkin rakenne viittaa ilmeiseen tapaan, jolla molekyyliä voidaan monistaa tai monistaa, koska kukin emäs voi määrittää komplementtiemäksensä vetysidoksen avulla. Tämä geneettisen molekyylin olennainen ominaisuus oli tähän asti ollut mysteeri. Toiseksi rakenne viittaa siihen, että ehkä tämä DNA:n nukleotidiparien järjestys sanelee kyseisen geenin organisoiman proteiinin aminohappojen järjestyksen. Toisin sanoen jonkinlainen geneettinen koodi saattaa kirjoittaa tiedon DNA:han nukleotidiparien sekvenssinä ja kääntää sen sitten proteiinien aminohapposekvenssien eri kielelle.
Tämä perustieto DNA:sta on nyt tuttua melkein kaikille, jotka ovat lukeneet biologian oppikirjaa peruskoulussa tai lukiossa, tai jopa aikakaus- ja sanomalehtiä.Yritäpä kuitenkin kokea itsesi vuoden 1953 tapahtumapaikalle ja kuvitella, mikä oli ollut se jännittävä tilanne.Siihen asti todisteet, joiden mukaan epäkiinnostava DNA oli perimän perimä, olivat olleet pettymyksiä ja lannistavia. Mutta DNA:n Watson-Crick-rakenne avasi yhtäkkiä mahdollisuuden selittää kaksi elämän suurimmista ”salaisuuksista”. James Watson kertoi tämän löydön tarinan (omasta näkökulmastaan, jonka muut osallistujat kyseenalaistivat voimakkaasti) kiehtovassa kirjassaan The Double Helix, joka paljastaa, miten monimutkainen vuorovaikutus persoonallisuuksien yhteentörmäyksistä, nokkelista oivalluksista, kovasta työstä ja yksinkertaisesta tuurista on johtanut näin tärkeisiin tieteellisiin edistysaskeliin.
Vaihtoehtoiset rakenteet
DNA:n A- ja B-muotojen lisäksi löydettiin synteettisesti valmistetun DNA:n kiteistä uusi muoto, joka sisälsi vuorotellen G:tä ja C:tä samassa säikeessä. Tällä Z-DNA-muodolla on siksakmainen selkäranka ja se muodostaa vasenkätisen kierteen, kun taas sekä A- että B-DNA muodostavat oikeakätisiä kierteitä.